CN107145647B - 一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法 - Google Patents

一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，包括如下步骤：船体和上层建筑三维几何建模；船体周围钝体绕流气流场仿真；最小二乘支持向量机回归建模；测风传感器测量数据校正；海面真风速和真风向解算。利用该方法得到高质量的海面平均真风速、真风向数据可用于计算海气通量、构建海面风再分析数据资料、建立海洋模式驱动场、研究海气耦合模式等。对于不同船型，本发明通过计算流体力学仿真获得船体周围钝体绕流气流场，相比通过实船实验数据建模校正海面风测量数据偏差的方法，能够缩短实验时间并节省实验资源。

Description

一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法
技术领域
本发明涉及一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法。
背景技术
船舶是海面风速、风向等气象要素的重要观测手段，能够提供长期并且连续的观测记录。高质量的海面风速、风向观测数据被用于保障船舶航行安全，服务海洋气象科学研究和海上国防军事建设。船舶航行时，船体和上层建筑对海面自由来流存在遮挡，使气流产生畸变。畸变后的气流经过测风传感器安装位置并由测风传感器测量获得相对风矢量，其与未受干扰的海面自由来流在速度和方向上存在偏差。提高测风传感器的测量精度并不能将这类偏差消除或者降低。由于测风传感器实际测量的是畸变气流，输出的是含有偏差的相对风矢量，该矢量与航速矢量进行矢量合成后得到海面真风矢量，也就造成了海面真风速、真风向与环境真实值存在偏差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，以达到提高船舶海面平均真风速、真风向数据质量的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，包括如下步骤：
(1)船体和上层建筑三维几何建模：建立船舶水线以上部分的全尺寸三维几何模型，忽略对气流影响较小的附体结构；
(2)船体周围钝体绕流气流场仿真：建立计算域，划分网格并设置边界条件，通过稳态计算得到不同迎风角度条件下的船体周围钝体绕流气流场，输出计算域入口和测风点处气流的平均流速和流向，得到仿真输出数据；
(3)最小二乘支持向量机回归建模：对仿真输出数据，以测风点处相对风向为自变量，以测风点与计算域入口风速比值和风向差值为因变量，回归得到数据之间的非线性映射关系；
(4)测风传感器测量数据校正：将测风传感器测量的相对风向滑动平均值依次代入步骤(3)建立的非线性映射关系中，得到各时间点对应的迎风角度条件下测风点处气流与海面自由来流速度的比值和方向的差值，分别校正测风传感器测量的相对风速和相对风向的滑动平均值，得到校正后的平均相对风矢量时间序列；
(5)海面真风速和真风向解算：将校正后的相对风矢量时间序列与船舶测速设备输出的航速矢量时间序列进行合成，计算得出海面真风速、真风向时间序列。
上述方案中，步骤(1)中只对船体水线以上部分建立三维几何模型。对船体和上层建筑附体进行适当删减有助于网格划分并降低计算量，而对测风点周围附体做适当保留有助于还原局部气流场细节，实际操作过程中可根据计算平台性能做相应调整。
上述方案中，所述步骤(2)中，计算域采用圆柱体，船舶三维几何模型置于圆柱体的底面中心，底面圆半径R不小于3倍船长，圆柱体高度H不小于1倍船长。计算域采用铜钱状划分，内部计算域为方体并划分非结构网格，外部计算域由内部方体底面上的两条对角线和经过其交点且垂直于底面的法线所构成的平面分割为四个部分并划分结构网格。
该计算域侧面等分为2N个曲面，2N对应于不同迎风角度的仿真工况数，即360°除以迎风角度间隔。若迎风角度间隔10°，则2N为36。计算域的入口和出口分别由连续的N个曲面组成，入口和出口的曲面各占圆柱体侧面的二分之一并且相对于计算域中心呈对称分布。入口采用速度入口，出口采用压力出口。计算域上、下表面采用自由滑移壁面，船体表面采用无滑移壁面。船体周围钝体绕流气流场形态在雷诺数2×105-1×107范围内无显著变化，根据船长(10-100m)，入口速度可设为10m/s。
步骤(2)中采用定常方式求解船体周围钝体绕流气流场RANS方程，湍流模式采用RNG k-epsilon模型，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，收敛残差为10E-4。
上述方案中，所述步骤(2)中，测风点处气流的平均流速和流向的计算方法为：求以测风点为中心的三维球形空间内各网格风速、风向的矢量平均值。球形空间半径为测风传感器特征长度。
上述方案中，所述步骤(3)中，采用最小二乘支持向量机建立未受干扰的海面自由来流与测风点处受干扰气流之间非线性映射关系，方法为：
测风点处的平均相对风向记为wdmeasure，测风点处的平均相对风速记为wsmeasure，入口风速记为wsreference，迎风角度记为wdreference；测风点与入口风速比值记为rws，rws＝wsmeasure/wsreference；测风点与入口风向差值记为Δθ，Δθ＝wdmeasure-wdreference。将wdmeasure作为自变量，rws和Δθ作为因变量，对变量间的非线性映射关系进行回归，得到：
Figure GDA0002419297750000021
对于某时刻测风传感器输出的平均相对风速和平均相对风向数据，平均相对风速以比值rws进行校正，平均相对风向以差值Δθ进行校正。校正后的平均相对风矢量与航速矢量合成，得到该时刻更接近环境真实值的海面真风速、真风向。
进一步的技术方案中，对于安装多个测风传感器的船舶，分别校正各个测风传感器在同一时间点的风速、风向滑动平均值，数据融合后再与该时间点的航速矢量合成解算该时间点的海面平均真风速、真风向。
通过上述技术方案，本发明提供的船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法对船体和上层建筑进行三维建模，利用计算流体力学仿真计算获得不同迎风角度时船体周围钝体绕流气流场分布情况，从中提取自由来流流速、流向及流经船上测风点处气流流速、流向，利用最小二乘支持向量机对两组数据之间的非线性关系进行回归，获得不同迎风角度条件下自由来流与测风点处受干扰气流之间的映射关系，并据此对相对风速、风向测量滑动均值进行校正，使解算后的海面平均真风速、真风向数据更接近环境真实值。
本发明解决了目前船舶海面风速、风向测量过程中，海面自由来流受船体和上层建筑遮挡而产生气流畸变，造成测风传感器测量得到的相对风速、风向与未受干扰的海面自由来流在速度和方向上存在差异，并且导致解算出的海面环境真风速、真风向存在偏差的问题。能有效降低由船体和上层建筑遮挡造成的相对风速、风向测量数据偏差，提高船舶海面真风速、真风向数据质量，可用于计算海气通量、构建海面风再分析数据资料、建立海洋模式驱动场、研究海气耦合模式等等。对于不同的船型，本方法采用计算流体力学仿真获得船体周围钝体绕流气流场，相比实船实验数据建模校正方法，能够显著缩短实验时间，节省实验资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为具体实施方式所述的船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法流程示意图。
图2为具体实施方式所述的计算域划分示意图。
图中，A：船舶三维几何模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，具体步骤如图1所示。
步骤一：船体和上层建筑三维几何建模。建立船舶水线以上部分的全尺寸三维几何模型，根据仿真计算平台性能适当删减船体表面附体结构，如栏杆、支架、鞭状天线等。在仿真计算时间允许的前提下，测风点周围局部气流干扰物的外部几何特征宜尽可能保留。
步骤二：船体周围钝体绕流气流场仿真。建立计算域，划分网格并设置边界条件，采用定常方式求解不同迎风角度条件下的船体周围钝体绕流气流场RANS方程，输出计算域入口和测风点处气流的平均流速和流向。计算域入口气流对应海面自由来流，测风点处气流对应受船体和上层建筑遮挡产生畸变的气流。
计算域采用圆柱体形式，船舶三维几何模型A置于底面中心。计算域侧面等分为2N个曲面。2N对应于不同迎风角度的仿真工况数，即360°除以迎风角度间隔。船舶航行时，相对风向多以艏向来风为主。若对船舶航行状态下海面风测量数据偏差校正的准确性要求更高，则迎风角度间隔应划分为更小角度(最小值可取为测风传感器的风向分辨率)。为了平衡仿真计算量，可适当忽略两舷与船尾特定角度范围来风工况的仿真计算。
输出测风点处气流的平均流速和流向的方法为：以测风点为中心的三维球形空间内各网格风速、风向的矢量平均值。球形空间半径为测风传感器特征长度，如机械式测风传感器为主体长度，超声式测风传感器为主体高度。该尺寸可根据测风传感器安装位置周围实际环境做适当调整，若实际测风点周围局部风场中干扰物较多则球形空间半径应适当缩小，反之应适当增大。
步骤三：采用最小二乘支持向量机对仿真结果数据中提取的不同迎风角度条件下计算域入口处气流和测风点处气流之间的非线性映射关系进行回归。测风点处相对风向为自变量，测风点与入口风速比值和风向差值为因变量。
建立自由来流与测风点处受干扰气流之间非线性映射关系为：
Figure GDA0002419297750000041
测风点处的平均相对风向记为wdmeasure，测风点处的平均相对风速记为wsmeasure，入口风速记为wsreference，迎风角度记为wdreference；测风点与入口风速比值记为rws，rws＝wsmeasure/wsreference；测风点与入口风向差值记为Δθ，Δθ＝wdmeasure-wdreference。
上述非线性映射关系由最小二乘支持向量机对训练数据进行回归得出，核函数形式可通过训练数据集合交叉验证进行筛选，并采用优化算法确定核函数参数的具体数值。上述非线性映射关系也可由其他非线性回归工具(如BP神经网络等)进行逼近。
步骤四：对测风传感器实测海面风观测数据时间序列进行校正，将各时间点相对风向滑动平均值依次代入步骤三建立的非线性映射关系中，得到各时间点对应的迎风角度条件下对应的测风点处气流与海面自由来流速度的比值rws和方向的差值Δθ，分别用于校正该时间点实测相对风速滑动均值和相对风向滑动均值。
步骤五：将船舶航速矢量(包括船舶运动速度和方向)时间序列和校正后的平均相对风矢量时间序列进行合成，依次解算出海面真风速和真风向的滑动均值时间序列。
对于同时安装有多个测风传感器的船舶，可通过上述方法分别校正各测风传感器在同一时间点实测风速、风向滑动均值。校正后的相对风速、风向的滑动均值均为海面自由来流在速度和方向上的近似，经数据融合后与该时间点航速矢量合成解算出该时间点海面平均真风速、真风向。具体的数据融合方法可采用矢量平均，或根据仿真结果中各测风点处气流的畸变程度进行加权平均，等等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)船体和上层建筑三维几何建模：建立船舶水线以上部分的全尺寸三维几何模型，根据仿真计算平台性能删减对气流影响小的船体表面附体结构；
(2)船体周围钝体绕流气流场仿真：建立计算域，划分网格并设置边界条件，通过稳态计算得到不同迎风角度条件下的船体周围钝体绕流气流场，输出计算域入口和测风点处气流的平均流速和流向，得到仿真输出数据；
(3)最小二乘支持向量机回归建模：对仿真输出数据，以测风点处相对风向为自变量，以测风点与计算域入口风速比值和风向差值为因变量，回归得到数据之间的非线性映射关系；
建立未受干扰的海面自由来流与测风点处受干扰气流之间非线性映射关系的方法为：
测风点处的平均相对风向记为wdmeasur，测风点处的平均相对风速记为wsmeasure，入口风速记为wsreference，迎风角度记为wdreference，则：
Figure FDA0002442647140000011
(4)测风传感器测量数据校正：将测风传感器测量的相对风向滑动平均值依次代入步骤(3)建立的非线性映射关系中，得到各时间点对应的迎风角度条件下测风点处气流与海面自由来流速度的比值和方向的差值，分别校正测风传感器测量的相对风速和相对风向的滑动平均值，得到校正后的平均相对风矢量时间序列；
(5)海面真风速和真风向解算：将校正后的平均相对风矢量时间序列与船舶测速设备输出的航速矢量时间序列依次进行合成，计算得出海面平均真风速、真风向时间序列。
2.根据权利要求1所述的一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，其特征在于，步骤(2)中，计算域采用圆柱体，船舶三维几何模型置于圆柱体的底面中心；圆柱体侧面由位于其上垂直于底面的直线等分为2N个曲面，2N为迎风角度仿真工况数；计算域的入口、出口分别由连续的N个曲面构成，入口和出口的曲面各占圆柱体侧面的二分之一并且相对于计算域中心呈对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，其特征在于，步骤(2)中，测风点处气流的平均流速和流向的计算方法为：求以测风点为中心的三维球形空间内各网格风速、风向的矢量平均值。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种船舶海面风速、风向测量数据偏差校正方法，其特征在于，对于安装多个测风传感器的船舶，分别校正各个测风传感器在同一时间点的风速、风向滑动平均值，数据融合后再与该时间点的航速矢量合成解算该时间点的海面平均真风速、真风向。
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