基于新型节能推进水翼的船舶耐波与操纵性能改进研究

摘要

在温室气体排放造成全球气候变化日益加剧以及石油资源不断减少所导致的能源危机大背景下，船舶行业也面临着重大的挑战和机遇。节能环保技术将成为船舶市场的核心竞争力之一。
　　本文研究中提出了一种基于T型波能回收水翼(T-WDH)的新概念节能技术辅助船舶推进和航迹跟踪。T型波能回收水翼的水平部分可以在波浪中借助船体的运动产生推力辅助船舶的推进并且还能起到减摇的效果;垂直水翼作为首舵，用于提升船舶的操纵性。针对T型波能回收水翼船的水动力性能展开了研究，通过理论建模和试验分析证明了该技术的可行性和有效性，并对T型波能回收水翼辅助下的船舶实海域性能进行了预报。另一方面，建立了四自由度非线性操纵性模型对T型波能回收水翼船的静水和波浪中操纵性进行了仿真和分析。为实现T型波能回收水翼与尾舵间的协同航迹控制，基于无偏模型预测控制算法对控制器进行了设计研发，并引入了在线自适应参数辨识增强了控制器的鲁棒性。
　　本文共分为七个章节:
　　第一章中介绍了本课题研究的背景和意义，在对现有国内外船舶节能技术进行探讨总结的基础上，提出了T型波能回收水翼船舶节能技术设想并明确了相关研究难点和技术路线。
　　第二章围绕基于基本解法(MFS)的无网格船舶耐波性计算方法，为波能回收水翼船耐波性研究打下基础。在详细阐述了MFS法的数学原理后针对二维剖面水动力系数势流求解问题用MFS法进行了数值建模和计算分析，并与传统的边界元法(BEM)进行了对比，证明了MFS法在水动力计算中的可行性，以及相对于BEM法所具有的不存在奇性、可以在实际物面上精确满足边界条件、能获得任意阶连续的速度势导数，并且数学原理简单、易于数值实现的特点。随后将MFS法进一步应用到切片法船舶耐波性预报中，通过对集装箱船和油船的计算验证，证明了MFS法对于求解实际船体剖面水动力系数的适用性。
　　第三章中回顾了波能回收水翼的研究进展，基于船舶耐波性理论和水翼波浪中推进的研究成果建立了基于势流理论的频域耦合水动力模型，可对波能回收水翼船在顶浪规则波中的船体垂荡和纵摇运动进行预报。在此基础上，研究了规则波中波能回收水翼船增阻计算方法。为验证所建立数值模型的正确性，对S175集装箱船进行了波能回收水翼设计，并在拖曳水池中开展了耐波性试验，测量了垂荡、纵摇运动及波浪中增阻响应。试验与数值结果间的对比证明了所提出模型的正确性，同时也证明了波能回收水翼的实际使用效果。
　　第四章中研究了波能回收水翼设计参数和水翼连接方式对波能回收水翼船耐波性的影响;介绍了评估波能回收水翼效果的耐波性短期预报方法和基于船机桨匹配法的失速系数预报方法。在此基础上阐述了波能回收水翼船实海域长期性能预报方法，介绍了风浪环境数据库和长期预报模型。最后，以一艘3100箱集装箱船为例对其在航线上的实海域耐波性进行了短期和长期预报。
　　第五章中建立了S175船的四自由度非线性操纵性模型，详细阐述了其中船体力、螺旋桨力、舵力和波浪漂移力的计算方法。通过与公开发表试验数据的对比验证了本仿真平台的正确性，继而设计了T型波能回收水翼的首舵部分，并进行了与原船间的操纵性仿真对比。
　　第六章对波能回收水翼充当的首舵与尾舵间的协同航迹控制展开研究，提出采用模型预测控制算法，对首尾舵进行协同控制。针对波浪二阶力对于船舶航迹跟踪的影响，提出了一种可以减小稳态航迹跟踪误差的无偏模型预测控制算法;在非线性操纵性仿真平台中对控制器参数进行了调试和仿真分析。利用首尾舵组合的独特优势对在线自适应参数辨识进行了研究，并通过仿真证明了该方法的可行性和实用价值。
　　第七章为全文总结和后续研究展望。
　　通过研究发现:所提出的新型节能推进水翼可有效提高船舶的耐波与操纵性能。水池模型试验表明船舶的垂荡和纵摇响应将有显著减少，峰值降幅在25％以上;船舶在波浪中的增阻减少更加明显，峰值增阻响应减少了80％;实海域中的船舶失速系数预报也表明该技术对于提升船舶能效、降低EEDI指数有积极的作用。另一方面，水翼所充当的首舵能够改进船舶的操纵性能，船舶在静水和波浪中的回转半径都将显著减小，平均可达15％左右;针对首尾舵组合所开发的自适应航迹跟踪控制算法可帮助船舶在航速发生变化的情况下自动完成控制器的更新，再次体现出了新型节能推进水翼所具有的独到优势。
　　本文在理论层面的主要创新和突破为:首次将MFS法应用于船舶耐波性预报领域，提出了一种计算有限水深下二维剖面水动力系数的实用数值方法;提出了基于船机桨匹配和实海域风浪环境数据的EEDI失速系数预报方法，考虑了船机桨间的能量传递;首次提出了基于首尾舵组合的带T型水翼船舶操纵方式，并且提出了一种基于模型预测控制算法的无偏船舶航迹跟踪控制方法，可以有效减小波浪干扰下的稳态船舶航迹跟踪误差。
　　本文研究丰富了船舶节能技术储备，为研发出低能耗、低排放和低碳的新一代绿色船型提供了参考。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 IMO相关法规介绍

1．2．1 EEDI法规

1．2．2 SEEMP法规

1．2．3 EEOI导则

1．3 船舶节能技术综述

1．3．1 降低推进所需功率

1．3．2 提高船舶推进效率

1．3．3 减少船上设备所需功率

1．3．4 新型推进方式

1．4 T型波能回收水翼节能技术

1．4．1 装置设想

1．4．2 技术路线与难点

1．5 本文工作及创新点

1．5．1 论文主要工作

1．5．2 主要创新点

1．6 本文章节概述

第二章 基于MFS的频域切片法船舶耐波性预报

2．1 势流问题求解方法综述

2．2 原理及数学模型

2．3 有限水深二维剖面水动力系数

2．3．1 计算模型

2．3．2 数值特性研究

2．3．3 MFS法与BEM法对比研究

2．4 MFS在频域切片法中的应用

2．4．1 STF频域切片法

2．4．2 算例与分析

2．5 本章小结

第三章 耐波性耦合水动力模型建立与验证

3．1 波能回收水翼研究进展

3．2 频域耦合水动力模型

3．3 波能回收水翼船增阻计算

3．3．1 辐射增阻计算

3．3．2 反射增阻计算

3．3．3 水翼推力计算

3．4 模型试验

3．5 试验结果分析

3．6 本章小结

第四章 水翼设计探讨及实海域耐波性预报

4．1 波能回收水翼设计探讨

4．1．1 设计参数探讨

4．1．2 水翼连接方式探讨

4．2 短期预报模型

4．2．1 耐波性短期预报

4．2．2 基于船机桨匹配的失速系数短期预报

4．3 实海域性能预报方法

4．3．1 风浪环境数据库

4．3．2 长期预报模型

4．4 3100箱集装箱船案例研究

4．4．1 计算模型及频域响应结果

4．4．2 短期预报结果

4．4．3 长期预报结果

4．5 本章小结

第五章 波浪中操纵性仿真平台开发

5．1 船舶波浪中操纵性研究进展

5．2 非线性船舶操纵性模型

5．2．1 船体力

5．2．2 螺旋桨力

5．2．3 舵力

5．2．4 波浪漂移力

5．3 仿真平台验证

5．4 首尾舵操纵性仿真

5．4．1 首尾舵设计

5．4．2 操纵性仿真对比

5．5 本章小结

第六章 水翼与舵协同航迹控制

6．1 船舶航迹控制研究综述

6．2 控制模型与算法开发

6．2．1 航迹跟踪模型

6．2．2 无偏模型预测控制

6．3 控制器调试与仿真

6．3．1 控制器调试

6．3．2 仿真与分析

6．4 在线自适应参数辨识

6．4．1 自适应参数辨识算法

6．4．2 航迹跟踪性能补偿

6．4．3 仿真结果

6．5 本章小结

第七章 全文总结

7．1 工作总结

7．2 主要结论

7．3 研究展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研项目