船舶零航速仿生減搖鰭控制機(jī)理研究.pdf

1、船舶在風(fēng)浪中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種搖蕩，其中以橫搖最為顯著，影響也最大。船舶在系泊或低航速狀態(tài)下，當(dāng)涌浪周期接近船舶自然橫搖周期時(shí)，船舶搖擺比航行時(shí)更為劇烈。然而，只有船舶的航速較高時(shí)，常規(guī)減搖鰭才可以有效地減搖；船舶在低航速或零航速情況下，由于流過(guò)鰭表面的水流速度為零，鰭上升力也將消失，因而此時(shí)減搖鰭幾乎不能進(jìn)行減搖。對(duì)于在低航速或系泊狀態(tài)下仍需要減搖的船舶來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的減搖鰭就不再適用了。隨著船舶減搖技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)系泊狀態(tài)時(shí)船舶的減

2、搖能力提出了新的期望。而減搖水艙減搖能力有限，有時(shí)甚至出現(xiàn)增搖現(xiàn)象。在減搖領(lǐng)域，零航速減搖鰭技術(shù)開(kāi)發(fā)成為人們關(guān)注的問(wèn)題，于是人們提出了零航速減搖鰭的概念。 論文來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“零速下船舶仿生減搖鰭升力機(jī)理的研究(50575048)”，主要研究?jī)?nèi)容是基于仿生流體力學(xué)研究在零來(lái)流流場(chǎng)中，依靠減搖鰭主動(dòng)擺動(dòng)產(chǎn)生升力的機(jī)理，建立船舶零航速仿生減搖鰭的升力模型。 論文在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外仿生流體研究包括昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)飛行和魚(yú)類(lèi)

3、巡游推進(jìn)機(jī)理的理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和模型研制的基礎(chǔ)上，把零航速減搖鰭升力產(chǎn)生模式與昆蟲(chóng)懸停、鳥(niǎo)類(lèi)飛行及魚(yú)類(lèi)擺動(dòng)鰭、尾推進(jìn)模式作為研究對(duì)象，采用理論分析、仿真計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，建立了可變弦長(zhǎng)Wleis—Fogh減搖鰭升力模型和單鰭仿生翼縱搖耦合升沉零航速減搖鰭升力模型；論證了兩鰭片間的間隙對(duì)Weis—Fogh減搖鰭升力特性的影響；定義了升力對(duì)間隙的敏感因子的概念；得出了間隙對(duì)減搖鰭弦長(zhǎng)的無(wú)量綱因子不大于10時(shí)間隙對(duì)升

4、力影響不大的結(jié)論，該結(jié)論可以做為實(shí)際設(shè)計(jì)中的參考。論文深入分析了所提出的兩種零航速減搖鰭的運(yùn)動(dòng)特征和力學(xué)機(jī)理，結(jié)合船舶減搖控制技術(shù)，將升力控制引入船舶零航速減搖鰭控制系統(tǒng)中，進(jìn)一步引入能量限制建立了船舶零航速減搖鰭控制系統(tǒng)。 采用仿真分析和數(shù)值試驗(yàn)的方法，對(duì)可變弦長(zhǎng)Weis—Fogh減搖鰭升力模型在不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的升力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鰭片在一定張開(kāi)規(guī)律下，通過(guò)弦長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化，可以達(dá)到根據(jù)不同海浪周期，提供給船舶不同特性的

5、升力的目的，所建模型能夠反映在零速流場(chǎng)中的升力特性。 單鰭仿生翼零航速減搖鰭升力模型是基于在非定常流場(chǎng)中對(duì)經(jīng)典葉素理論進(jìn)行修正，根據(jù)庫(kù)塔-儒科夫斯基假設(shè)和船舶操縱性研究中廣泛應(yīng)用的“緩慢移動(dòng)”假說(shuō)而建立的。從仿真研究結(jié)果可看出，隨著各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)如減搖鰭縱搖和升沉幅值、頻率、相位角等的不同，升力特性也不同，但縱搖對(duì)升力的影響占主要地位，縱搖和升沉兩種運(yùn)動(dòng)的相位角為45°時(shí)升力較大。 近年來(lái)，升力控制一直是船舶減搖技術(shù)的熱點(diǎn)