CN106114750A - 基于气泡减阻与m船型复合的智能控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统及控制方法，其装置包括GPS测速计、控制单元、空气压缩机、气阀和多孔气泡切换装置；其方法包括步骤：1)采集M船型的实时速度V；2)将实时速度V代入最佳喷气量‑速度曲线模型，得到最佳喷气量Q；3)根据最佳喷气量计算傅汝德数Fr，得到最佳气泡直径；4)根据最佳气泡直径和最佳喷气量在M船型底部形成相应直径的气泡。本发明利用M船型与气泡减阻复合船型相配合的方式，通过测量速度实时响应，智能动态调整气泡发生装置各项参数，进而改变喷气状态，如气泡大小、单位时间喷气量等，最终达到最优的减阻效果，实现节能低耗的目标。

Description

基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程领域，具体地说是指一种基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统及控制方法。

背景技术

M船型是国际上近10多年来研究开发的一种耐波性优良的船型，这种船型是为减轻和避免高速游船所产生的波浪对河堤造成冲刷与破坏而发展起来的一种消波船型。由于它的底部形状呈M型故得此名。在这种船型的基础上，美国圣迭戈M船公司经过线性优化和对消波效果的进一步改进，将其发展为一种M型槽道滑行艇。但因为技术秘密的缘故，M型高速槽道滑行艇的文献资料比较稀少，设计的核心技术也未公布。国内在该领域的研究相对空白，主要是赵连恩、谢永和编著的《高性能船舶原理与设计》较为详尽地论述了M型高速槽道滑行艇。当今，高速性与耐波性的综合效果越来越受重视，节能效果也成为企业的一项重要考虑因素。

然而传统的M船型在低速阶段并不具有更为优良的阻力性能，而且在较广的工况范围内，综合阻力效果并未达到满意效果。同时，单一船型优化改造存在着节能效果较低的特点，在当前技术发展下，已接近其改造极限。

针对当前能源日益紧张、环保要求不断严苛的现状，本领域技术人员迫切需要一种在船舶多航行工况下，阻力性能优良的船舶。现今单一船型或单一设备的节能优化难以实现，因其大多仅能在单一设计工况下实现减阻，对于多工况船舶航行时不可避免的非设计工况下，阻力值反而可能增加。

发明内容

本发明的目的是针对M船型在多工况船舶航行时阻力性能不佳的问题，而提出的一种减少燃油的消耗和污染性气体的排放，大幅提高船舶续航能力的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统及控制方法，利用M船型与气泡减阻复合船型相配合的方式，通过测量速度实时响应，智能动态调整气泡发生装置各项参数，进而改变喷气状态，如气泡大小、单位时间喷气量等，最终达到最优的减阻效果，实现节能低耗的目标。

为实现上述目的，本发明所设计的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特殊之处在于：，包括GPS测速计、控制单元、空气压缩机、气阀和多孔气泡切换装置；

所述GPS测速计用于采集M船型的实时速度并传送至控制单元；

所述控制单元用于根据实时速度计算最佳喷气量与最佳气泡直径，并向空气压缩机和气阀发出最佳喷气量指令，向多孔气泡切换装置发出最佳气泡直径指令；

所述空气压缩机用于根据最佳喷气量指令调节向气阀传送压缩空气的体积；

所述气阀用于根据最佳喷气量指令调节开度；

所述气孔大小调节装置包括水平设置于船底中部的喷气板组，所述喷气板组包括若干个不同孔径的喷气板，所述气孔大小调节装置用于根据最佳气泡直径指令推出相应孔径的喷气板，使所述气阀喷出的气体形成相应直径的气泡。

进一步地，所述多孔气泡切换装置还包括与喷气板数量相同的电力推杆，每个所述电力推杆的输入端均与控制单元连接、驱动端与一个喷气板连接，所述控制单元根据最佳气泡直径指令通过控制电力推杆水平推出相应孔径的喷气板，并通过控制电力推杆收回其他孔径的喷气板。喷气板组中的各喷气板按照孔径从大到小的顺序从甲板到船底方向依次放置，控制单元控制电力推杆水平推出相应孔径的喷气板，同时收回其他孔径的喷气板。

更进一步地，还包括空气流量计，所述空气流量计用于采集气阀的实时喷气量并传送至控制单元。控制单元根据最佳喷气量-速度曲线模型计算出船舶在一定航速下航行时的最优喷气量，并将数据传递给气阀，通过气阀调节，使得喷气量最终稳定在最佳喷气量附近，其效果通过监测装置——靶式空气流量计来测定。空气流量计采用靶式空气流量计，此种新型电容式力传感器作为测量和敏感传递元件是一款适用于高粘度、低雷诺数及含有微小颗粒的流体和气体测量的智能流量计。采用电容式力传感器实现了本控制系统的高精度和高稳定性。

更进一步地，所述多孔气泡切换装置为两套，对称设置于M船型底面中部，可方便灵活地根据所接受控制指令来调节系统喷出气泡的大小，且装置简易，可使用现有设备进行组装改造；同时采用对称布置的方式，使得装置大小与其占据船体内部空间均在较小的范围内。综上所述，此套装置具有占据空间小、简易方便、灵活性强、机动性能好等优势，可实现准确快速的调节气泡大小到最佳尺度。

更进一步地，还包括与所述空气压缩机连接的储气罐。为提高供气装置的容错率，复合节能船舶的供气装置部分还备有储气罐。储气罐供气能够方便的控制气体流量与压力，使气流比较平稳，避免气流不稳定性带来的脉动，方便控制气体流量与喷气压力。

更进一步地，所述喷气板的孔径范围为0.05～0.5mm。因为气泡大小等于喷气板气孔大小，因此选用4个孔径为0.05～0.5mm的多孔喷气板，将使得气泡大小在此范围内进行变动调节。喷气过程中，气体在压力的作用下经多孔材料的空隙流出形成微气泡，并在来流的影响下沿顺流方向覆盖船底表面，因此采用此种多孔喷气板将能够使得喷气简易便捷且达到理想的均匀覆盖船体，减小阻力的效果。

一种基于气泡减阻与M船型复合的智能控制方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

1)采集M船型的实时速度V；

2)将所述实时速度V代入最佳喷气量-速度曲线模型，得到最佳喷气量Q；

3)根据所述实时速度V计算傅汝德数Fr，并根据所述傅汝德数Fr的值得到最佳气泡直径；

4)根据所述最佳气泡直径和最佳喷气量在M船型底部形成相应直径的气泡。

优选地，所述步骤2)中，最佳喷气量-速度曲线模型为Q＝3.116*Ln(V)+6.48。

优选地，所述步骤3)中，傅汝德数Fr的计算方法为：

Fr＝V/(重力加速度*船体长度)^0.5；

所述傅汝德数Fr的值与最佳气泡直径成正比。

优选地，所述步骤1)中还包括中采集实时喷气量Q1，然后将测量得到的所述实时喷气量Q₁与步骤2)中计算得到的最佳喷气量Q相比较，通过调节最佳喷气量Q以使得测量值与计算值相等，从而达到最佳减阻效果。

本发明将气泡减阻装置与M船型结合，起到很好的减阻效果，其减阻原理图如图5所示，裸船体阻力可分为粘性阻力成分和兴波阻力成分，气泡减阻可有效减小复合船舶的粘性阻力成分，同时M船型因自身结构特点兴波阻力大为减小，不仅如此，由于气泡随水流流向后方，在槽道内部与M船型所压缩的气液混合物相遇，使得尾部压强进一步增大，流体动升力提升，船体抬升，总阻力减小。复合船型行驶时，GPS测速仪测得实时船速，空气流量计测得实时排气量，将信息反馈回控制单元，控制单元进行计算，得出最佳气泡喷出状态(气泡大小、喷气量等)，并将指令输入各控制部分，进行调节。最终实现优良的阻力性能，持久的续航力，节能减排。

本发明的优点在于：(1)气泡减阻与M船复合的船型自身可在不同航速状态下进行调整，使减阻率达到良好减阻效果，从而大大减小了能耗，减少了船舶污染的排放，降低了船舶的航行成本。该复合船型的这种高效的减阻能力可被广泛的应用在所航行的船舶上，具有巨大的经济价值和环境价值。(2)搭载不同的上层建筑，可起到自身不同的优良性能，从而满足不同的个性化需求。例如使用该复合船型的搜救艇，即使在恶劣的环境下，凭借其自身优良的性能，也能以高航速、平稳地到达遇难海域进行搜救任务。(3)可在高速航行范围内，根据不同船舶不同航行速度的需求，得出与速度最佳配合数值关系，智能调控气泡的大小、喷气量等相关因素，实现在多工况下良好的阻力性能，减少燃油的消耗，污染性气体的排放，大大提高船舶的续航能力，进而对于船舶在变工况下高速航行有很大的研究价值。

附图说明

图1为本发明基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统的结构示意图；

图2为图1中多孔气泡切换装置中喷气板与电力推杆连接结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为控制流程图；

图5为减阻原理图；

图6为喷气量与无因次阻力系数关系图；

图7为最佳喷气量-速度曲线图。

图中：GPS测速计1，空气流量计2，控制单元3，空气压缩机4，气阀5，多孔气泡切换装置6(其中：喷气板6-1，电力推杆6-2，驱动电机6-21，套筒6-22，连杆6-23)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1～4所示，本发明一种基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，包括GPS测速计1、空气流量计2、控制单元3、空气压缩机4、气阀5和多孔气泡切换装置6。

GPS测速计1用于采集M船型的实时速度并传送至控制单元3。GPS测速通过安装在运动载体上的GPS接收器获取GPS信号从而得到运动载体的运动速度。本发明采用的GPS测速仪1是利用载波相位实时差分获得多普勒观测值来计算M船型的速度，测速精度为0.03m/s，满足本发明的精度要求。

空气流量计2用于采集气阀5的实时喷气量并传送至控制单元3。当气阀5喷出的气体流经靶式空气流量计2的测量管时，因气体自身的动能与靶板产生压力差，而产生对靶板的作用力，使靶板产生微量的位移，其作用力的大小与气体流速的平方成正比，靶板所受的作用力经靶杆传递，使传感器的弹性体产生微量变化，从而打破贴片电容组成的电桥平衡。产生与流量在靶板上作用力对应的电压信号：由流体流量特征的影响，流量与电桥产生的电压的平方成正比，将电压信号传递给控制单元3。

控制单元3用于根据实时速度计算最佳喷气量与最佳气泡直径，并向空气压缩机4和气阀5发出最佳喷气量指令，向多孔气泡切换装置6发出最佳气泡直径指令。控制单元3根据前期实船试验结果并结合数值模拟，得出为实现阻力性能的最优化，气泡的大小、喷气量等相关因素与速度的数值关系。利用这些信息编写中心控制部分的算法，实现软件控制部分。控制单元3将GPS测速仪1测得实时船速，空气流量计2测得实时排气量的信息进行综合、分析，得出最佳气泡喷出状态(气泡大小、喷气量等)。然后将相关的指令分别传递给空气压缩机4、气阀5、多孔喷气板组切换装置6。

空气压缩机4用于根据最佳喷气量指令调节向气阀5传送压缩空气的体积。本复合船型的供气源部分将结合M船型首端呈有利于捕捉空气的喇叭状的特点，采用空气压缩机4抽取被捕捉到槽道内部较大进气量的空气，来对气泡减阻装置进行供气。为提高供气装置的容错率，复合节能船舶的供气装置部分还备有储气罐。

气阀5用于根据最佳喷气量指令调节开度。本发明喷气量控制采用电动流量控制阀，空气流量计2安装在气阀5与喷气板6-3的进气口之间用于测量流量，并传递信号给控制单元3来调节气流控制阀，实现对单位时间喷气量的控制。

气孔大小调节装置6包括水平设置于船底中部的喷气板组，喷气板组包括若干个不同孔径的喷气板6-1、与喷气板6-1数量相同的电力推杆6-2。电力推杆6-2包括驱动电机6-21、套筒6-22和连杆6-23，驱动电机6-21的输入端与控制单元3连接，驱动端与位于套筒6-22内部的连杆6-23的一端连接，连杆6-23的另一端与喷气板6-1连接。当某个驱动电机6-21根据到控制单元3的指令时驱动连杆6-23伸出或者缩回套筒6-22。控制单元3根据最佳气泡直径指令通过控制电力推杆6-2水平推出相应孔径的喷气板6-1，并通过控制电力推杆6-2收回其他孔径的喷气板6-1，使气阀5喷出的气体形成相应直径的气泡。本实施例中采用四个喷气板6-1，由上至下(由甲板向船底方向)喷气孔的孔径依次为0.4mm、0.2mm、0.1mm和0.05mm。气孔大小调节装置6在船底左、右两面各设置一套，即气泡从此位置从两处喷出，与船体接触处即为喷气板6-1位置，适合航速的最佳孔径喷气板6-1由此推出，达到动态调节气泡大小的目的。

利用上述基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统的测试方法，包括如下步骤，其控制原理如图4所示：

1)GPS测速计1采集M船型的实时速度V传送至控制单元3，空气流量计2采集实时喷气量Q₁传送至控制单元3；

2)控制单元3将实时速度V代入最佳喷气量-速度曲线模型，得到最佳喷气量Q。最佳喷气量-速度曲线模型为Q＝3.116*Ln(V)+6.48。

3)控制单元3根据实时速度V计算傅汝德数Fr，并根据傅汝德数Fr的值得到最佳气泡直径。傅汝德数Fr的计算方法为

Fr＝V/(重力加速度*船体长度)^0.5。

傅汝德数Fr的值与最佳气泡直径成正比。当傅汝德数满足0＜Fr≤1.0时，最佳气泡直径为0.05mm，选择孔径最小的0.05mm喷气板6-1；当傅汝德数满足1.0＜Fr≤3.0时，最佳气泡直径为0.1mm，选择直径为0.1mm的喷气板6-1；当傅汝德数满足3.0＜Fr≤4.0时，为最佳气泡直径为0.2mm，选择直径为0.2mm的喷气板6-1；当傅汝德数满足Fr＞4.0时，为最佳气泡直径为0.4mm，选择最大孔径的0.4mm喷气板6-1。

4)控制单元3向空气压缩机4和气阀5发出最佳喷气量指令，向多孔气泡切换装置6发出最佳气泡直径指令；空气压缩机4根据最佳喷气量指令调节向气阀5传送压缩空气的体积；气阀5根据最佳喷气量指令调节开度；气孔大小调节装置6根据最佳气泡直径指令推出相应孔径的喷气板6-2，使气阀5喷出的气体形成相应直径的气泡。控制单元3将测量所得的实时喷气量Q₁与计算所得的最佳喷气量Q相比较，若测量值不等于计算值，则需要调节最佳喷气量Q并发送最佳喷气量指令给气阀5，以期使得测量值与计算值相等，从而达到最佳减阻效果。

本发明以ANSYS-FLUENT流体计算软件为平台，进行了气泡喷射参数对复合船型阻力的影响研究，包括气泡喷射位置、气泡喷射量等，论证复合船型的减阻效果。对于不同航速所建立的不同模型，在同一喷气位置设置不同的喷气速度，进行无因次阻力系数的计算，根据计算所得无因次阻力系数，绘制喷气量与无因次阻力系数关系图，如图6所示，进一步分析得到单位时间内喷气量与减阻率的关系。根据所得喷气量与无因次阻力系数关系曲线，考虑到喷气量达到一定程度时，减阻效率并未有明显提升，且对于装置能耗将会增加，因此选取各速度下减阻效果趋于平缓的点做出最佳喷气量-速度曲线。如图7所示。

本发明通过船模试验(将基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统安装于M型船模上)，进行在喷气状态下与未喷气状态下的拖曳船模阻力试验。试验时，船模通过阻力仪与拖车相连，拖车运动时带动船模在水中运动，拖车的速度即为船模的速度，当速度稳定后，通过采集系统将阻力仪的电信号收集起来并转化成模型阻力值。通过对安装基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统后的阻力性能进行了测量，与未安装时进行对比，显示其减阻性能。研究结果表明，同一航速下，随着喷气速度的增加，无因次阻力系数不断降低，即单位时间内喷气量越大，总船体阻力越小；当喷气速度达到一定值后，减阻效果不再显著，符合预期。表明气泡减阻与M船型的结合能够有效地减少总阻力，具有较好的节能减排效果。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特征在于：包括GPS测速计(1)、控制单元(3)、空气压缩机(4)、气阀(5)和多孔气泡切换装置(6)；

所述GPS测速计(1)用于采集M船型的实时速度并传送至控制单元(3)；

所述控制单元(3)用于根据实时速度计算最佳喷气量与最佳气泡直径，并向空气压缩机(4)和气阀(5)发出最佳喷气量指令，向多孔气泡切换装置(6)发出最佳气泡直径指令；

所述空气压缩机(4)用于根据最佳喷气量指令调节向气阀(5)传送压缩空气的体积；

所述气阀(5)用于根据最佳喷气量指令调节开度；

所述气孔大小调节装置(6)包括水平设置于船底中部的喷气板组，所述喷气板组包括若干个不同孔径的喷气板(6-3)，所述气孔大小调节装置(6)用于根据最佳气泡直径指令推出相应孔径的喷气板(6-2)，使所述气阀(5)喷出的气体形成相应直径的气泡。

2.根据权利要求1所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特征在于：所述多孔气泡切换装置(6)还包括与喷气板(6-1)数量相同的电力推杆(6-2)，每个所述电力推杆(6-2)的输入端均与控制单元(3)连接、驱动端与一个喷气板(6-1)连接，所述控制单元(3)根据最佳气泡直径指令通过控制电力推杆(6-2)水平推出相应孔径的喷气板(6-3)，并通过控制电力推杆(6-2)收回其他孔径的喷气板(6-3)。

3.根据权利要求1所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特征在于：还包括空气流量计(2)，所述空气流量计(2)用于采集气阀(5)的实时喷气量并传送至控制单元(3)。

4.根据权利要求2所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特征在于：所述多孔气泡切换装置(6)为两套，对称设置于M船型底面中部。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特征在于：还包括与所述空气压缩机(3)连接的储气罐(3-1)。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制系统，其特征在于：所述喷气板(6-2)的孔径范围为0.05～0.5mm。

7.一种基于气泡减阻与M船型复合的智能控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)采集M船型的实时速度V；

2)将所述实时速度V代入最佳喷气量-速度曲线模型，得到最佳喷气量Q；

3)根据所述实时速度V计算傅汝德数Fr，并根据所述傅汝德数Fr的值得到最佳气泡直径；

4)根据所述最佳气泡直径和最佳喷气量在M船型底部形成相应直径的气泡。

8.根据权利要求7所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，最佳喷气量-速度曲线模型为Q＝3.116*Ln(V)+6.48。

9.根据权利要求7所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，傅汝德数Fr的计算方法为：

Fr＝V/(重力加速度*船体长度)^0.5；

所述傅汝德数Fr的值与最佳气泡直径成正比。

10.根据权利要求7所述的基于气泡减阻与M船型复合的智能控制方法，其特征在于：所述步骤1)中还包括采集实时喷气量Q₁，然后将测量得到的所述实时喷气量Q₁与步骤2)中计算得到的最佳喷气量Q相比较，通过调节最佳喷气量Q以使得测量值与计算值相等。