基于垂荡和纵摇运动模型对波浪能最大输出功率的设计

研究波浪能装置最大输出功率的设计,以运动平衡方程和能量输出系统研究为基础理论背景,建立浮子和振子的垂荡、纵摇运动模型和最优阻尼系数模型,确定给定时间下的浮子与振子的垂荡位移及速度和纵摇位移及角速度,并借助模拟退火算法和网格搜索算法分别确定两种情况下给定参数值的最大输出功率及最优阻尼系数.

风浪作用下船体纵摇运动对螺旋桨激振力特性影响分析

大型高速船舶在风浪中航行时会发生摇荡,导致推进效率下降,还会引发严重的螺旋桨激振力。以KCS船和KP505螺旋桨为研究对象,采用RANS方法和重叠网格技术,对无船体纵摇运动和有船体纵摇运动下的船-桨-舵系统开展了水动力数值计算分析。计算结果显示,在纵摇运动下桨盘面处标称流场的空间不均匀度基本上和无纵摇运动相当,但流场的时间不均匀度急剧增加。同时,在船体纵摇运动情况下船体阻力时均值大幅增加、螺旋桨推力时均值大幅减小。对螺旋桨水动力时域信号进行快速傅里叶分析,发现在纵摇运动时螺旋桨非定常力频谱中的峰值更加丰富,在所有峰值中以纵摇运动频率处的峰值为最大,且远大于叶频处的峰值,它随纵摇运动幅值的增大而升高。

不同速比下纵摇运动对立轴叶轮的性能影响

浮式立轴水轮机在波浪中会发生纵摇运动,为了研究纵摇对立轴水轮机的水动力性能影响,将浮式垂直轴叶轮在波浪作用下摇荡运动的复杂模型简化为叶轮在均匀流中叠加简谐摇荡运动,应用ANSYS-CFX软件,采用动网格和滑移网格相结合的技术建立了垂直轴叶轮旋转和摇荡运动的数值模拟方法,并和在均匀流中的水轮机作对比,而且对水轮机的推力系数和侧向力系数的时历曲线用最小二乘法进行拟合分析,得到水轮机阻尼系数和附加质量系数.结果表明:纵摇运动下的水轮机效率会稍微高于均匀流中的水轮机效率;纵摇运动下的水轮机推力和侧向力波动幅值有大幅增加,对水轮机结构强度及疲劳效应产生不利影响;阻尼力是水轮机纵摇运动中的主要成分,附加质量力占的影响较小.

基于遗传算法的纵摇运动模式识别模型分析

本文针对一型复合三体船船模,对其纵摇运动模式识别进行分析,建立三体船运动模式识别的优化模型,设计并完成静水纵摇运动试验。最终,基于遗传算法建立辨识系统,对复合三体船的纵摇运动模式进行辨识分析,并得出该辨识模型具有一定的精度,验证该优化模型的可行性。

参一强激励作用下的Spar平台非线性纵摇运动响应分析

考虑垂荡运动和波浪激励力矩的双重影响,建立Spar平台参一强联合激励下的纵摇运动方程。应用摄动法求得当垂荡频率与纵摇固有频率比接近2:1时纵摇方程的一阶近似解,并分析了方程零解与定常周期解的运动稳定性。以一座试验Spar平台为例,计算了该平台在长周期涌浪下纵摇运动的时域响应。

舰船纵摇运动函数变换型GM(1,1)模型研究

以往曾有人利用时间序列法、周期图法、神经网络法及灰色系统理论等方法来研究船的运动 .目前还没有一种有效的方法解决船的纵摇 .针对船的纵摇运动利用灰色系统理论建立系统模型 ,在灰色系统模型的基础上 ,通过函数变换法 (三角变换及平移变换 )对纵摇角度数据的周期振荡性进行处理 ,得到单调增加的数列 ,再利用灰色GM( 1 ,1 )模型建模预报 .数值试验表明 ,这种改进方法较GM( 1 ,1 )

大型舰船纵摇运动的多层递阶预报

主要介绍多层递阶预报原理及其首次在大型舰船纵摇运动预报中的应用实例.仿真结果表明,多层递阶时间序列模型能较好地反映参数的时变特性,取得较精确的预报结果.

FPSO纵摇运动预报研究

FPSO船体姿态运动(纵摇和横摇)会对FPSO与穿梭油轮的靠泊、FPSO上直升机的起降、海上的补给等作业可能造成严重的影响。如能实现在一定时间内对FPSO船体姿态运动进行预报,则可大大提高这些作业的安全性和高效性。用AR(p)模型拟合FPSO纵摇运动,然后运用AR(p)模型的线性最小方差预报法进行预报,预报实例中用到的数据来自模型试验。结果表明,用时间序列法对FPSO纵摇运动进行极短期预报具有一定的精度和较小的计算量。

深吃水半潜平台参数纵摇运动的数值模拟与试验研究

深吃水半潜平台可改善传统半潜平台在线性波浪载荷下垂荡运动性能差的状况,然而当吃水增加时会伴随有非线性大幅参数纵摇运动的发生。论文开展了深吃水半潜平台参数纵摇运动的数值预报与模型试验,采用6自由度弱非线性时域数值模型进行了不同波高和波频的规则波中参数纵摇数值预报。通过数值模拟和试验研究发现,随着波幅增大,回复力的非线性变化显著,会发生大幅参数纵摇运动。当参数纵摇运动发生时,纵摇周期为垂荡周期的2倍,纵摇幅度显著增加,参数纵摇发生的波频约为纵摇运动固有频率的2倍。

基于拓扑预测模型的船舶纵摇运动预报

针对船舶纵摇运动系统的灰色特性,利用拓扑预测法与GM(1,1)模型,研究船舶在海浪中非线性纵摇运动的预报问题,分别建立船舶纵摇运动的拓扑预测模型和船舶纵摇运动的GM(1,1)模型。根据实测船舶纵摇运动数据的特点,探讨拓扑预报模型的阈值选取方法。仿真结果表明:采用拓扑预测模型对船舶纵摇运动预报研究是合理且可行的。

基于改进延迟分离涡方法的潮流能水轮机纵摇运动水动力分析

为探究强迫纵摇运动对浮式潮流能水轮机水动力性能的影响,该文基于改进延迟分离涡模型(IDDES)与滑移网格技术相结合的方法,建立了浮式潮流能水轮机旋转和纵摇耦合运动的CFD数值模型。首先选取潮流能水轮机的水槽试验结果来验证所建立的数值模型的计算精度,其次在不同纵摇频率和纵摇幅值下,对浮式潮流能水轮机开展三维非定常模拟。研究结果表明:(1)水轮机水动力系数(能量利用率系数和轴向载荷系数)的整体波动频率为纵摇频率的两倍,同时伴随着频率为叶轮转频的高频脉动;(2)随着纵摇频率的增加,水轮机平均水动力系数略有增加,而随着纵摇幅值的增加,其平均水动力系数略有减小,但均小于无纵摇工况下的平均水动力系数;(3)在纵摇最大振幅位置处,水轮机各叶片迎流面承受不同程度的水压载荷。纵摇运动对平衡位置和最大振幅位置处的尾迹均有影响,且尾迹出现较为明显的低速区摆动现象。

漂浮式风力机在纵摇运动下的气动性能数值研究

与固定式风力机不同,漂浮式风力机气动性能受六自由度平台运动影响。其中,平台纵摇运动的影响尤为重要。本文基于计算流体力学(CFD)方法,使用IDDES模型和重叠网格技术,研究漂浮式风力机气动性能在纵摇运动影响下的特性。使用实验数据验证数值模型,对漂浮式风力机在纵摇运动影响下的气动响应和周围流场实施数值模拟。结果表明,漂浮式风力机气动响应与平台纵摇运动同周期变化,且叶轮推力、扭矩的幅值以及平均功率随纵摇运动振幅增加而增大,随纵摇运动周期增加而减小。此外,发现漂浮式风力机在纵摇运动中的动态失速和尾涡干扰现象。漂浮式风力机的纵摇运动将对其气动性能产生较大影响,因此应在设计阶段予以考虑。

基于流体脉动理论的漂浮式风力机平台纵摇运动控制策略

在流体脉动理论作用下,对张力腿式漂浮式风力机平台的纵摇运动进行分析,提出一种通过给变桨动作施加主动阻尼的控制策略,设计在不影响电功率输出的情况下的反馈控制系统,利用FAST软件对NREL提供的5 MW张力腿式漂浮式风力机进行建模,并与MATLAB/Simulink软件进行联合仿真。仿真结果表明,在流体脉动理论下设计的反馈控制系统不仅能降低塔顶的纵摇位移、叶轮转速和电功率输出波动,也能在一定程度上降低塔基处的纵摇力矩,对延长塔筒的寿命起到一定的作用。

小水线面复合单体无人艇纵摇运动模式研究

本文以小水线面复合单体无人艇为研究对象,在2种吃水条件下,不同初始纵摇角纵摇衰减运动模型试验,测得纵摇角度随时间变化的曲线,共建立4种纵摇衰减运动模式的系统辨识运动方程,基于系统辨识理论和多种现代优化算法设计并改编了计算软件。通过系统辨识后目标函数的比较,确定了最适合此艇型的纵摇运动辨识方程,得到方程中各力矩系数拟和值,且系统辨识角速度和试验角速度的误差范围平均在4%以内,验证了辨识系统的可靠性。选取其中一种典型角度下的纵摇数据作为辨识依据,讨论2种吃水下水动力矩与时间的变化关系。与同吨位单体滑行艇纵摇运动模式进行比较,表明小水线面单体无人艇纵摇衰减能力较强。

一种二自由度并联摇摆台运动分析与仿真

根据"菲涅耳"光学助降装置发射光束的稳定性设计要求,提出采用一种二自由度并联驱动摇摆台来检验该装置随动系统的稳定性能。采用解析法建立了该试验台的运动方程,算例仿真分析结果表明:通过驱动主运动支链杆长的移动,可以实现既定规律下运动平台的横摇和纵摇运动,完全满足"菲涅耳"光学助降装置的性能测试要求。

Spar平台垂荡—纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。

Spar平台垂荡-纵摇耦合运动失稳机理

研究参数激励和强迫激励共同作用下Spar平台垂荡-纵摇耦合运动的失稳机理。考虑静稳性和排水体积的变化,推导平台的垂荡回复力和纵摇回复力矩表达式,建立规则波浪中平台垂荡-纵摇耦合的运动方程。以经典Spar平台为例,分析平台垂荡-纵摇耦合运动发生马休类型不稳定运动的条件以及平台运动失稳的形式,给出波高和波浪周期平面上平台因大幅运动失稳的参数域。结果表明,当波高相对较小时,波浪的临界周期接近于垂荡固有周期,平台失稳的形式为马休失稳;当波高相对较大时,波浪的临界周期远离垂荡固有周期,平台由于大幅摇摆运动而失稳。

基于LSTM的船舶纵摇极短期预报

为船舶航行决策相关设备的精度校准提供数据支持,保障船舶安全航行及船用设备的稳定运行具有重要意义。传统水动力学分析方法难以精确、高效地预报船舶的非线性运动。为了提高船舶极短期预报的精度,分别构建单特征和多特征输入的长短期记忆人工神经网络(LSTM)模型,对船舶在波浪中的纵摇运动进行研究和预测,分析了运动参数和波浪参数对模型预报精度的影响,并对输入参数的时间间隔和模型训练数量等参数展开分析。结果表明,该方法在单特征输入情况下有效预测时间可达6 s,在多特征输入的情况下有效预测时间可达12 s,验证了LSTM算法对船舶在波浪中的纵摇运动进行极短期预报的可行性。

Trussspar平台垂荡-纵摇耦合运动数值模拟研究

采用SESAM软件建立平台模型进行数值模拟,得出平台在规则波浪中附加质量系数、阻尼系数和波浪力,建立平台垂荡-纵摇耦合方程,采用龙格库塔法求解该非线性方程,借助于Matlab软件编制计算程序,建立了垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法。针对Spar平台垂荡-纵摇耦合运动响应问题,与SESAM软件中的算法相比,本研究建立的垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法更接近实际情况。

不同吃水条件下船舶运动及附加阻力的研究

为研究不同吃水对船舶运动与附加阻力的影响,本文基于计算流体动力学建立了满载、压载以及满载和压载之间2个吃水条件下KVLCC2船舶数值模型。利用Fluent软件和势流理论计算得到不同吃水船舶在波浪中升沉、纵摇运动响应和附加阻力值,并与实验结果对比分析。研究表明:计算流体力学数值模拟船舶运动与附加阻力具有较高的准确性;船舶升沉运动受吃水条件影响大于纵摇运动;针对不同吃水条件,提出吃水形状因子改进附加阻力半经验公式。