船舶零航速减摇鳍升力机理及系统模型研究

论文摘要

船舶在低航速或零航速作业时,减摇水舱是用来减小船舶横摇的最主要的减摇设备。但是减摇水舱本身的减摇能力有限,而且只是在谐摇频率的情况下,才能达到最好的减摇效果,在某些情况下甚至会出现增摇的现象。而传统的减摇鳍一般只能在中高航速下才能有效地进行减摇,这是由传统减摇鳍减摇机理决定的。传统减摇鳍的升力同船舶的航行速度的平方成正比,因此船舶的航行速度越高,产生的升力也相对较大。随着减摇技术的发展,一种新的减摇技术可以使用减摇鳍在零航速下进行船舶减摇,但其减摇理论仍处在发展阶段。论文来源于国家自然科学基金项“零速下船舶仿生减摇鳍升力机理的研究（50575048）”。主要研究内容是减摇鳍在零航速下摆动时的运动规律及其升力模型的建立。论文首先对零航速减摇装置做了综述,阐述了减摇鳍在零航速下工作的减摇原理。论文给出了单翼纵向拍动型、单翼横向拍动型、单翼纵向拍动耦合升沉运动和双翼纵向拍动型等几种类型的零航速减摇鳍,并对其工作原理进行了分析。单翼零航速减摇鳍升力模型的研究是减摇鳍能否在零航速下用于船舶减摇的关键问题。通过对两种不同工作方式的零航速减摇鳍升力模型进行理论研究,根据单翼Weis-Fogh机构势流理论对单翼横向拍动的减摇鳍进行了升力建模,得到的升力模型基本上反映了鳍拍动时升力产生的情况。同时对单翼纵向拍动的减摇鳍进行了升力模型建模,根据鱼尾摆动将鳍上所受到的力分为法向力、附加质量力和涡的影响力进行研究,建立相应的简化模型。最后使用Fluent计算流体力学软件对单翼纵向拍动减摇鳍进行了数值模拟,从得到的升力曲线上可以看出前面建立的升力模型基本上可以反映鳍摆动时产生升力的规律。双翼零航速减摇鳍升力模型的建立是基于Weis-Fogh机构流体动力学理论。基于势流理论得出的升力模型由于对一些参数进行了假设,其升力模型并没有很好的反应出鳍上的升力变化情况。因此进一步研究和建立了基于点涡理论的双翼零航速减摇鳍升力模型。从其升力曲线的对比上可以看出,基于点涡理论的升力模型可以更好的反映鳍上产生升力的情况。最后建立了船舶-单翼零航速减摇鳍和船舶-双翼零航速减摇鳍模型。据实船参数对船舶-单翼零航速减摇鳍模型和船舶-双翼零航速减摇鳍模型在不同海况下的船舶横摇进行了仿真,从仿真结果上可以看出在低海情的时候单翼零航速减摇鳍的减摇效果可以达到55%以上,双翼零航速减摇鳍的减摇效果在50%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的及意义
• 1.2 船舶横摇减摇装置的发展现状
• 1.2.1 减摇装置的分类
• 1.2.2 常见的零航速下减摇装置简述
• 1.3 仿生飞行机构的发展概述
• 1.3.1 Weis-Fogh机构概述
• 1.3.2 昆虫悬停飞行的理论和实验研究
• 1.4 论文的研究内容
• 第2章 零航速下减摇鳍减摇原理分析
• 2.1 零航速下减摇鳍减摇原理
• 2.2 零航速减摇装置的探讨
• 2.2.1 传统减摇鳍
• 2.2.2 单翼零航速减摇鳍
• 2.2.3 双翼零航速减摇鳍
• 2.3 本章小结
• 第3章 单翼零航速减摇鳍升力模型的研究
• 3.1 引言
• 3.2 单翼横向拍动零航速减摇鳍升力模型的研究
• 3.2.1 单翼Weis-Fogh机构
• 3.2.2 保角变换
• 3.2.3 流体作用于翼的力
• 3.2.4 单翼横向拍动零航速减摇鳍的升力模型
• 3.2.5 升力模型仿真研究
• 3.3 单翼纵向拍动零航速减摇鳍升力模型的研究
• 3.3.1 鱼类胸鳍和尾鳍的拍动
• 3.3.2 零航速减摇鳍升力模型的建立
• 3.3.3 减摇鳍摆动时鳍上涡的影响
• 3.4 单翼零航速减摇鳍的数值模拟
• 3.4.1 减摇鳍的控制方程
• 3.4.2 减摇鳍的物理模型
• 3.4.3 网格划分
• 3.4.4 边界条件及初始条件
• 3.4.5 数值仿真的结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 双翼零航速减摇鳍升力模型的研究
• 4.1 引言
• 4.2 Weis-Fogh机构
• 4.3 零航速减摇升力模型
• 4.3.1 势流理论升力模型
• 4.3.2 点涡模型
• 4.3.3 点涡模型环量计算
• 4.3.4 点涡模型升力计算
• 4.4 升力的仿真研究
• 4.4.1 张开过程升力的计算
• 4.4.2 闭合升力的初步探讨
• 4.4.3 误差分析
• 4.5 双翼减摇的数值模拟
• 4.5.1 物理模型
• 4.5.2 控制方程
• 4.5.3 网格划分
• 4.5.4 边界条件及初始条件
• 4.5.5 小角度双翼的数值模拟
• 4.6 本章小结
• 第5章 船舶-零航速减摇鳍系统研究
• 5.1 船舶-单翼零航速减摇鳍系统研究
• 5.1.1 长峰波随机海浪仿真
• 5.1.2 船舶-单翼零航速减摇鳍系统仿真研究
• 5.1.3 水舱与零航速减摇鳍系统在系泊状态下减摇效果的对比
• 5.2 船舶-双翼零航速减摇鳍系统研究
• 5.2.1 船舶-双翼零航速减摇鳍系统
• 5.2.2 船舶-双翼零航速减摇系统仿真研究
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢