基于新型節(jié)能推進水翼的船舶耐波與操縱性能改進研究.pdf

1、在溫室氣體排放造成全球氣候變化日益加劇以及石油資源不斷減少所導致的能源危機大背景下，船舶行業(yè)也面臨著重大的挑戰(zhàn)和機遇。節(jié)能環(huán)保技術將成為船舶市場的核心競爭力之一。
　　本文研究中提出了一種基于T型波能回收水翼(T-WDH)的新概念節(jié)能技術輔助船舶推進和航跡跟蹤。T型波能回收水翼的水平部分可以在波浪中借助船體的運動產(chǎn)生推力輔助船舶的推進并且還能起到減搖的效果;垂直水翼作為首舵，用于提升船舶的操縱性。針對T型波能回收水翼船的水動力性能

2、展開了研究，通過理論建模和試驗分析證明了該技術的可行性和有效性，并對T型波能回收水翼輔助下的船舶實海域性能進行了預報。另一方面，建立了四自由度非線性操縱性模型對T型波能回收水翼船的靜水和波浪中操縱性進行了仿真和分析。為實現(xiàn)T型波能回收水翼與尾舵間的協(xié)同航跡控制，基于無偏模型預測控制算法對控制器進行了設計研發(fā)，并引入了在線自適應參數(shù)辨識增強了控制器的魯棒性。
　　本文共分為七個章節(jié):
　　第一章中介紹了本課題研究的背景和意義，

3、在對現(xiàn)有國內外船舶節(jié)能技術進行探討總結的基礎上，提出了T型波能回收水翼船舶節(jié)能技術設想并明確了相關研究難點和技術路線。
　　第二章圍繞基于基本解法(MFS)的無網(wǎng)格船舶耐波性計算方法，為波能回收水翼船耐波性研究打下基礎。在詳細闡述了MFS法的數(shù)學原理后針對二維剖面水動力系數(shù)勢流求解問題用MFS法進行了數(shù)值建模和計算分析，并與傳統(tǒng)的邊界元法(BEM)進行了對比，證明了MFS法在水動力計算中的可行性，以及相對于BEM法所具有的不存在奇

4、性、可以在實際物面上精確滿足邊界條件、能獲得任意階連續(xù)的速度勢導數(shù)，并且數(shù)學原理簡單、易于數(shù)值實現(xiàn)的特點。隨后將MFS法進一步應用到切片法船舶耐波性預報中，通過對集裝箱船和油船的計算驗證，證明了MFS法對于求解實際船體剖面水動力系數(shù)的適用性。
　　第三章中回顧了波能回收水翼的研究進展，基于船舶耐波性理論和水翼波浪中推進的研究成果建立了基于勢流理論的頻域耦合水動力模型，可對波能回收水翼船在頂浪規(guī)則波中的船體垂蕩和縱搖運動進行預報。在

5、此基礎上，研究了規(guī)則波中波能回收水翼船增阻計算方法。為驗證所建立數(shù)值模型的正確性，對S175集裝箱船進行了波能回收水翼設計，并在拖曳水池中開展了耐波性試驗，測量了垂蕩、縱搖運動及波浪中增阻響應。試驗與數(shù)值結果間的對比證明了所提出模型的正確性，同時也證明了波能回收水翼的實際使用效果。
　　第四章中研究了波能回收水翼設計參數(shù)和水翼連接方式對波能回收水翼船耐波性的影響;介紹了評估波能回收水翼效果的耐波性短期預報方法和基于船機槳匹配法的失

6、速系數(shù)預報方法。在此基礎上闡述了波能回收水翼船實海域長期性能預報方法，介紹了風浪環(huán)境數(shù)據(jù)庫和長期預報模型。最后，以一艘3100箱集裝箱船為例對其在航線上的實海域耐波性進行了短期和長期預報。
　　第五章中建立了S175船的四自由度非線性操縱性模型，詳細闡述了其中船體力、螺旋槳力、舵力和波浪漂移力的計算方法。通過與公開發(fā)表試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了本仿真平臺的正確性，繼而設計了T型波能回收水翼的首舵部分，并進行了與原船間的操縱性仿真對比。<

7、br>　　第六章對波能回收水翼充當?shù)氖锥媾c尾舵間的協(xié)同航跡控制展開研究，提出采用模型預測控制算法，對首尾舵進行協(xié)同控制。針對波浪二階力對于船舶航跡跟蹤的影響，提出了一種可以減小穩(wěn)態(tài)航跡跟蹤誤差的無偏模型預測控制算法;在非線性操縱性仿真平臺中對控制器參數(shù)進行了調試和仿真分析。利用首尾舵組合的獨特優(yōu)勢對在線自適應參數(shù)辨識進行了研究，并通過仿真證明了該方法的可行性和實用價值。
　　第七章為全文總結和后續(xù)研究展望。
　　通過研究發(fā)現(xiàn)

8、:所提出的新型節(jié)能推進水翼可有效提高船舶的耐波與操縱性能。水池模型試驗表明船舶的垂蕩和縱搖響應將有顯著減少，峰值降幅在25％以上;船舶在波浪中的增阻減少更加明顯，峰值增阻響應減少了80％;實海域中的船舶失速系數(shù)預報也表明該技術對于提升船舶能效、降低EEDI指數(shù)有積極的作用。另一方面，水翼所充當?shù)氖锥婺軌蚋倪M船舶的操縱性能，船舶在靜水和波浪中的回轉半徑都將顯著減小，平均可達15％左右;針對首尾舵組合所開發(fā)的自適應航跡跟蹤控制算法可幫助船舶

9、在航速發(fā)生變化的情況下自動完成控制器的更新，再次體現(xiàn)出了新型節(jié)能推進水翼所具有的獨到優(yōu)勢。
　　本文在理論層面的主要創(chuàng)新和突破為:首次將MFS法應用于船舶耐波性預報領域，提出了一種計算有限水深下二維剖面水動力系數(shù)的實用數(shù)值方法;提出了基于船機槳匹配和實海域風浪環(huán)境數(shù)據(jù)的EEDI失速系數(shù)預報方法，考慮了船機槳間的能量傳遞;首次提出了基于首尾舵組合的帶T型水翼船舶操縱方式，并且提出了一種基于模型預測控制算法的無偏船舶航跡跟蹤控制方法，