[发明专利]一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法

说明书

一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，包括如下步骤：计算船身等效砂粒粗糙度；进行实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟，提取螺旋桨推力和扭矩值并进行无量纲处理，形成推力系数、扭矩系数及敞水效率和各进速系数的对应关系；进行实尺度船舶阻力数值模拟，提取船舶阻力值并进行无量纲处理，形成船舶总阻力、总阻力系数及有效功率和各目标航速的对应关系；进行实尺度船舶自航数值模拟，基于PID算法控制螺旋桨转速以达到实尺度船舶自航点，提取相关数据形成与不同的航速的对应关系；依照上述对应关系，结合船舶主机实际的输出功率对船舶进行航速预报。其优点是能够预报实船航速以及螺旋桨的功率分配及转速等。

技术领域

本发明涉及船舶动力学船舶航速预报技术领域，尤其是一种基于实尺度数值模拟的航速预报方法。

背景技术

船舶快速性是船舶诸多性能中重要的性能之一。其优劣程度对民用船舶来说在一定程度上影响船舶的适用性和经济性；对军用舰艇来说直接关系到作战性能。如何检测船舶快速性性能是评价船舶设计是否达到快速性指标的重要依据。研究船舶快速性的方法有：理论研究、试验方法和数值方法。其中，理论方法主要应用流体力学的理论，通过对船舶快速性的观察、调查、思索和分析，其只能对简单的流体力学问题进行定量的分析；而对于船舶快速性这样复杂的问题只能定性分析，不能用于解决实际问题。目前，用于研究船舶快速性的手段主要是试验方法和数值模拟。这两种方法的技术路线是通过傅汝德数相似定律，将船舶缩小到一定的尺寸下，来进行船模尺度下的试验(数值模拟)，在模型尺度下研究船舶阻力特性、螺旋桨敞水特性、船舶自航因子分析等，基于模型下的数据进而进行船舶航速预报。

在模型尺度下进行船舶快速性性能研究时，由于不能满足全相似定律(同时满足傅汝德数和雷诺数相似定律)，船舶尺度效应便成了不可回避的问题，虽然可以通过多个尺度的船模试验(数值模拟)来综合评估船舶快速性，但这只能减小船舶尺度效应的影响，并不能回避。另外，在模型尺度下来评估船舶快速性则需要利用模型数据来外推到实船性能。在这过程中，船舶形状因子及船舶表面粗糙度这两方面是必须要考虑的因素，前者虽然通过(1+k)方法来解决，但研究发现k值随着不同船舶吃水、航速及模型尺度大小的变化而变化，并不是一个定值；后者针对新船采用ITTC默认值150μm来评估船舶表面粗糙度的影响，但随着现代船舶建造工艺水平的提升，新船的船舶表面粗糙度值肯定比这个数值低，但该数值并不具有代表性。因此，如何解决上述问题是准确地评估船舶快速性的关键。

传统航速预报方法存在尺度效应、形状因子影响、粗糙度补贴系数、船舶自航点的获取等因素的影响，本发明拟解决以下技术问题：

尺度效应问题——传统方法是基于模型尺度下来进行试验或数值模拟的，由于流体的粘性影响，在模型尺度下船身周围呈现与实尺度下不同的状态，这对船舶阻力的评估有重大的影响。本发明拟采用实尺度数值模拟，准确模拟船身周围的三维流动问题，从而能精确地评估船舶阻力问题；

船舶表面粗糙度问题——传统ITTC方法是利用公式进行评估船舶表面粗糙度的影响，但该评估值并不能直接带入数值模拟过程中。本发明拟解决如何在数值模拟过程中引入船舶表面粗糙度的影响，从而更精确地评估船舶阻力问题；

自航点的获取问题——传统方法是船舶目标航速下采取多个螺旋桨转速，然后利用多个螺旋桨转速工况下的数值进行插值，从而获得当前目标航速下的自航点，成本较高，而且多点插值时会引入一定的误差。本发明拟采用PID算法技术来自动调节实尺度船舶自航数值模拟过程中螺旋桨转速，最终获得自航点。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，从而评估实船阻力性能、螺旋桨敞水性能及自航因子分析，进而预报实船航速以及螺旋桨的功率分配及转速等。

为了达到上述发明目的，本发明提出的一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，通过以下技术方案实现的：