限宽水域中船舶平面运动机构试验及水动力导数数值模拟

为探究有限宽度水域中大型船舶的水动力特性,基于计算流体力学(CFD)技术对限宽水域中的平面运动机构(PMM)试验进行数值模拟.在对有限水域宽度的PMM试验的动态模拟上,开发了混合动网格技术,数值计算结果与循环水槽PMM试验结果对比证明采用该方法有效.继而模拟不同宽度水域中的PMM试验,分析船舶水动力随运动速度变化的关系.结果表明,限宽水域中水动力随运动速度变化的非线性特征更为显著,船舶操纵加速度导数增大,位置导数减小,旋转导数的绝对值有所增加,二阶非线性导数值变化较大.

基于LQR限宽水域中KVLCC2操纵运动控制研究

在航道宽度受限制的水域中,船舶会受到岸壁效应的影响,横向力与首摇力矩将发生变化,这会对船舶的航行安全产生不利的影响。鉴于此问题,本文应用现代控制理论最优控制LQR方法,对在限制水域中航行的超大型油轮KVLCC2的操纵运动进行控制研究。为便于LQR控制器的设计,采用线性状态空间形式的操纵运动方程,基于数值模拟获取的相应线性水动力系数,计算出使目标函数值最小的增益矩阵K,从而得到满足最优控制规律的时域舵角变化,实现对不同宽度水域中船舶运动的最优控制,并与极点配置控制法作比较,验证LQR控制器的优越性。结果表明,当船岸距离d/L≥1.2时,船舶基本不受岸壁效应的影响,控制幅度极小;当岸壁距离d/L=0.25时,摆舵角度将超过6°,同时船舶前进速度也将下降,下降幅度将超过前进速度的10%,岸壁效应明显。