典型推进器在高性能舰船中的应用

推进器是舰船实现航行的核心设备,而推进器的选择又是影响舰船战斗力的核心要素之一。该文以高性能舰船装备与技术发展为切入点,概述了典型推进器的发展现状,聚焦推进系统与舰船总体之间的相互关系,从舰船多工况变化、高航速、低噪声等要求对推进技术发展的影响,以及特种螺旋桨推进、喷水推进等推进器技术对舰船性能的提升这两方面进行系统分析。文中以某600 t执法平台与瑞典海军某舰艇为研究对象,基于实船和模型试验数据,对比了采用螺旋桨推进器和喷水推进器对舰船阻力性能、操纵性能和噪声的影响,并结合国内高性能舰船发展现状,面向舰船总体性能提升需要,展望了推进器技术的未来发展。

高性能复合型舰船研究综述

随着世界船舶科学技术不断进步与发展,为适应人类海洋资源开发、海上运输及战争的需求,水面舰船综合性能越来越受到人们广泛关注和深入研究。这些性能主要包括优良的耐波性、操纵性、隐蔽性、快速性、足够的稳性和抗沉性以及军用武器布置的灵活性、电磁兼容性及运载能力等。传统排水型舰船己无法满足这些性能需求,而高性能多体船型能可为实现这些性能提供基础和保证。为了便于研究和探索这一研究领域,对目前相关高性能舰船予以综述。

粘性流场中吊舱推进器水动力性能数值研究

应用滑移网格技术对粘性流场中吊舱推进器的水动力性能进行了数值模拟,成功预报了吊舱推进器在粘性流场中的敞水性能,和试验结果相比,推力系数最大偏差为2.9%,扭矩系数最大偏差为0.8%。考察了吊舱推进器各部件及周围的流动特征,包括压力分布、速度矢量分布、流线及涡的形态等,为吊舱推进器各部件的优化设计以及吊舱推进器在工程上的应用提供了详细的流场信息。

高速舰船操纵性仿真研究

舰船操纵性响应方程在操纵性仿真、控制及理论研究中的应用日益扩展。高速舰船的操纵性与普通舰船有显著不同,其中之一是旋回过程中会产生较大的横倾。从舰船操纵性研究的角度出发,分析了横倾对高速舰船水动力导数的影响,并提出了计入该影响的方法,提高了高速舰船操纵性计算精度。据此,应用响应方程进行了旋回运动的计算机仿真。

高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究

基于数值波浪水池技术,对波浪中高速三体船运动及增阻进行CFD计算研究。控制方程—RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波。首先对规则波顶浪中单个主船体的运动和增阻进行了计算,并与高速细长体理论计算结果进行了比较;随后进行了三体船运动和增阻计算,分析了侧片体对主船体阻力增加的影响。为高速三体船耐波性研究提供了数值工具。

EEDI中船舶失速系数fw的计算方法与软件开发

近来IMO提出的新船能效设计指数(EEDI)将会对我国船舶工业产生重大影响。针对该指数计算公式中的船舶失速系数fw进行了研究,提出了一个系统的fw计算方法并形成软件,将计算结果与试验值和NMRI方法计算结果进行比较,证明计算方法具有工程实用性,为近一步开展相关研究工作奠定了理论基础。

冲击波作用下气泡动态响应数值研究

采用边界元法模拟冲击波作用下气泡动态响应,应用Mixed-Eulerian-Lagrangian(MEL)法模拟气泡的演化。分别模拟规则冲击波和爆破冲击波与气泡的相互作用,三维数值模型计算结果与已有实验数据进行对比,结果表明,计算值与实验数据吻合良好,验证了计算模型的有效性。改变冲击波参数和气泡初始状态及特征参数,研究不同参数下气泡的动力学特性,得出规律性曲线。

基于数值试验的喷水推进轴流泵的一体化设计

在给定流量、转速和扬程的设计指标下,综合分析和选取决定叶轮水动力性能的主要几何参数,采用升力法进行喷水推进轴流泵叶轮的水力设计。然后运用CFD方法对所设计轴流泵在设计点水动力性能进行数值模拟,计算结果表明:水力效率和扬程均满足设计要求。此基础上计算得到了该泵的扬程-流量、功率-流量、效率-流量特性曲线,进一步验证设计的合理性。最后将在设计工况下计算得到的水动力载荷导入有限元分析软件进行叶轮应力分析,校核了设计工况下叶片强度;同时,对叶轮进行模态分析,结果显示:所设计叶片固有频率远离轴频、叶频,能很好地避开叶轮共振。

船舶横摇运动中的混沌及其非线性简捷控制

为了描述并控制船舶横摇运动中的非线性随机现象,用混沌的Duffing方程刻画船舶横摇运动的非线性现象,符合程度较好,说明船舶在海浪作用下的运动在一定条件下可能产生混沌现象。采用精确反馈线性化和闭环增益成形算法相结合的非线性简捷控制方法控制船舶横摇运动中的混沌,取得了令人满意的控制效果,仿真结果验证了所设计的控制器具有良好的鲁棒性。

DTMB P4119桨尾流场LDV测试

采用LDV测速系统,在大型空泡水筒中对均匀来流下的螺旋桨尾流场进行了测量。把测试点数据集合在一个圆盘面上进行宏观显示。试验测试了尾流场中尾涡结构,获得了尾流场中轴向、径向速度沿周向分布的周期性规律,分析了近梢部流场速度分布的双突跳结构。试验所获得的定量信息为螺旋桨尾流场复杂流动现象的揭示提供了帮助。

混合推进系统喷水推进器与螺旋桨相互作用研究

通过求解雷诺时均的RANS方程数值模拟了单独喷水推进器和螺旋桨的流场,并用试验数据验证了数值计算的结果。在得到满意的结果之后,数值模拟了一台喷水推进器与两个螺旋桨混合推进系统的流场。通过流线和压力分布等研究混合推进系统流场特点。混合推进系统中,喷水推进器与螺旋桨的进、出流条件都发生了的改变,其中螺旋桨的改变较大。不同螺旋桨旋向计算结果表明,外旋桨有助于改善混合推进系统中喷水推进器的进流、提高整个推进系统的效率。数值计算和理论分析都表明,混合推进系统中,螺旋桨性能对流场的变化更敏感,在设计时应给予更多的关注。

基于神经网络的船舶阻力计算数值实验研究

3层以上的前向神经网络能以任意精度逼近任何非线性函数,采用误差反传算法,利用系列60船模原始试验数据作为训练和检验样本,应用输出与目标的线性回归、相关系数和相对误差,以及利用该神经网络绘制的曲线作为评价指标,通过大量的数值实验对最佳训练函数、性能函数、传递函数、隐层神经元数的选用进行了研究,建立了最佳的系列60船舶阻力计算3层和4层BP神经网络系统。

深吃水多立柱式平台的运动响应分析

提出了一种新型深吃水多立柱式平台DDMS(Deep Draft Multi-spars),介绍了DDMS平台的创新概念,并描述了平台的交互式设计方法和设计流程。使用基于绕射和辐射理论的高阶边界元方法,得到了平台波频激振力和水动力系数,在频域获得了幅值响应算子RAO。利用平均波浪漂移力和Newman近似方法预报了平台的二阶波浪慢漂激振力,在时域进行了DDMS平台运动响应的数值模拟。计算结果验证了DDMS平台设计的合理性,显示了平台良好的运动性能。

计及随机海浪波面倾角影响的船底砰击压力概率分布

计及随机海浪波面倾角的影响,研究了船舶底部砰击压力的概率分布问题。在计算船底砰击压力时引入随机海浪的波面条件,根据海浪波面斜率和船波之间相对速度的统计特性导出砰击压力随机变量的概率密度函数。计算结果表明,计及随机海浪波面倾角影响的概率密度函数与试验结果更加一致。

基于SIMOTION吊舱式电力推进的应用研究

提出了基于SIMOTION的吊舱式电力推进系统。通过SIMOTION的硬件SINAMICS和软件SCOUT对吊舱式电力推进系统进行了组态与设计,应用直接转矩控制技术,获得精确和平滑的转速控制,最小的转矩脉动,以至最小的机械磨损。在实验室条件下,实现了基于SIMOTION的半潜船吊舱式电力推进半实物仿真。结果表明,SIMOTION吊舱式电力推进具有更高的可靠性和更好的动态性能。

基于GPC的气控被动式减摇水舱研究

在建立减摇水舱内气体和液体两相流动的运动模型基础上,研究了水舱顶部气体连通道的截面面积大小与水舱内液体振荡参数之间的关系。利用广义预测控制(Generalized Predictive Control,GPC)对水舱内液体运动参数进行在线滚动寻优计算,并通过调节截面开口大小实现参数的调节,以此控制水舱内液体的流动,使之与船舶横摇运动相适应,对抗外部海浪干扰。仿真研究表明,与传统的开关式气阀控制策略相比,新的控制策略可以明显提高被动可控式减摇水舱的减摇效果,在较宽的频率范围内对船舶进行有效减摇。

基于LMI的船舶航向横摇鲁棒容错控制

为了提高船舶航向/横摇控制系统的可靠性,改善系统故障情况下的容错控制效果,采用基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒容错控制设计方法,对船舶航向/横摇系统进行容错控制研究。建立船舶航向/横摇耦合运动模型,分析故障导致的模型等效不确定性,通过定义广义干扰,将模型变换为适合于H 2/H∞鲁棒容错控制设计的标准模型。设计系统的性能评价指标,求解鲁棒容错控制器,并进行仿真验证。结果表明,船舶航向/横摇鲁棒容错控制系统具有良好的容错性能。

舵机幅度与速率受限的船舶转向抗饱和控制

为了解决船舶转向控制中存在的实际问题—舵机幅度与速率饱和、模型不确定性、流体动力非线性,提出了转向抗饱和控制算法。在模型有效性的前提下,化不确定非线性船舶动力学模型为线性微分包含模型,应用线性系统理论求出静态无约束控制规律;在控制器中加入幅度与速率饱和模型,以最小化扰动到被调输出的非线性L2增益为目标,控制问题转化为具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,进而求出静态抗饱和补偿增益。仿真结果满足实际转向控制要求。

小水线面双体船斜浪中运动的参数激振初探

船舶经常会在斜浪中航行,特别是在海峡内航行。此时,船舶运动是一种纵摇,横摇和垂荡的藕合运动,这种藕合运动容易导致参数共振,使船舶的耐波性变坏。以中国科学院科学考察船"实验1"号的一艘实船和代号T-SWDTH的一个船舶设计方案为例,计算分析了它们在斜浪中航行时的船体运动和参数共振问题,证明小水线面双体船在斜浪中横摇不会造成垂荡和纵摇的参数共振。

零航速下变鳍型减摇鳍升力模型研究

升力数值的大小直接影响零航速下船舶减摇效果。为产生足够升力实现船舶在零航速下的有效减摇,提出了基于变形鳍的零航速减摇鳍设计方法。基于势流理论和旋涡作用力理论对变鳍型减摇鳍在零航速下升力进行分析,给出了升力解析表达式。通过计算流体力学软件Fluent对变鳍型减摇鳍进行升力数值计算。最后将Fluent计算结果与解析表达式结果对比,升力值基本吻合,验证了该种升力分析方法的正确性,为零航速下减摇鳍的设计提供了理论支持。