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鳍—船体适配性及其低航速控制策略研究

叶青云  
【摘要】:减摇鳍从开始发明到现在的广泛应用已经有数十年的时间了,但是减摇鳍的基础理论,如减摇鳍的水动力建模、流场模拟、鳍形参数的选取、流体动力学特性等等都还处于探索和完善的阶段。减摇鳍的水动力特性和船体的水动力性能近几年来被很多学者进行了大量的研究,然而,他们往往忽略了减摇鳍在船体两侧工作会受船体的影响,这种影响表现为两者之间速度场的相互作用,敞水条件下的减摇鳍的水动力特性与受船体约束的减摇鳍的水动力特性有着不可忽略的差异,将减摇鳍安装在船体上,不可避免的这种差异的影响会提升或降低减摇鳍的减摇性能。关于两对鳍之间的研究主要集中在前鳍和后鳍之间的最佳安装位置,面积分配,水动力计算等,这类课题的探索已经硕果累累,有许多甚至已经应用到减摇装备的设计中,但是还存在许多的问题亟待解决,因此探索鳍-船体的适配性具有重大意义。另外在低航速情况下水流对减摇鳍的作用微乎其微,传统的减揺鳍的控制方式并不适合用在低航速减揺鳍的控制中,目前在低航速情况还没有能够显著提升舰船减摇性能的控制方式,故探索低航速海况的减摇鳍控制策略有着重大意义。本文在借鉴前人对敞水条件下减摇鳍性能研究的基础上并且以实际工程应用为目标,以鳍和船体作为一个研究对象进行了深入的研究。研究的主要内容包括:首先,简介了研究对象在世界范围内的研究近况;其次,利用有限元仿真软件FLUENT以及MATLAB研究了减摇鳍与船体在低航速和中高航速的互相影响,并且利用水池实验验证了仿真结果的可靠性;然后,利用有限元仿真软件FLUENT以及MATLAB研究了安装在船体上的两对鳍在静态和动态情况下的互相影响,分析对比后鳍在没有前鳍影响下和受前鳍影响之后的水动力状况,并且利用遗传算法对两对鳍系统进行了最佳间距优化设计;最后,建立海浪干扰模型以及低航速减摇鳍升力模型,并利用人工蜂群算法设计分数阶PI~λD~μ控制器,执行低航速减摇控制系统的仿真并将分数阶PI~λD~μ控制的结果与PID控制进行对比。


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