CN111881521A - 一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法，涉及水动力技术领域，该方法针对双桨双舵船在实验室水池环境下，通过在不同试验工况下开展操纵性回转运动约束模试验获取回转运动约束模试验数据，通过对获取到的数据进行数据近似和回归处理即可确定双桨双舵船的船体对舵的水动力干扰中的整流系数，弥补了这一行业的技术空缺，而且操作简单、数据相关性高，且具有良好的工程效果。

Description

一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法

技术领域

本发明涉及水动力技术领域，尤其是一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法。

背景技术

船舶拘束模型试验是目前获得船舶水动力导数的应用最为广泛的方法，即用机械的约束，强迫船模作规定的运动，如直线运动、回转运动等，在模型试验时，通过系统地改变船模的运动参数，测定作用在船模上的水动力，从而求得各水动力系数。拘束模型试验中的回转运动约束模试验时，强制船模按一定回转半径、一定的姿态角以一定的角速度作定常回转运动，用多分力传感器可以测量作用在船模船体的水动力。船舶在进行回转运动约束模试验时，船模的运动是一种水平面内的约束模型运动。进行船舶操纵性水动力约束模试验时，应满足试验速度的傅汝德数相等。

在船舶操纵运动中，舵力是仅次于船体力的最重要的水动力。由于船、桨、舵的相互干扰使舵前来流速度和攻角不等同于船速和操舵角，因此在舵力表达式中应考虑船体、桨、舵的相互干扰。船舶分离型数学模型，是以船体、桨、舵各自的水动力特性为基础，并考虑其间的相互水动力干扰。船体对舵的干扰，主要表现在由于船体的存在，改变了舵前来流速度和舵前来流方向(以船体对舵的整流系数表示)，目前还未有针对双桨双舵船确定整流系数的方法。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法，本发明的技术方案如下：

一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法，该方法包括：

制作双舵船的由船体模型和舵模型构成的船模，并对船模开展敞水舵水动力测试试验确定法向力系数；

在不同试验工况下对船模进行操纵性回转运动约束模试验并在每次操纵性回转运动约束模试验中获取当前试验工况下作用在船模上的左舵力和右舵力，不同试验工况的舵角、漂角以及角速度存在至少一个不同；

对所有左舵力和右舵力中属于每一类的所有舵力，对该类所有舵力分别进行无因次化处理得到无因次化舵力，并在相同漂角和角速度下，对无因次化舵力和舵角做拟合曲线确定线性部分直线的斜率和截距，根据斜率、法向力系数和截距确定相应漂角和角速度对应的中间变量；

基于角速度确定无因次回转角速度，基于漂角确定无因次侧向速度，对左舵力的各个中间变量分别相应于各自对应的无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对左舵的整流系数，对右舵力的各个中间变量分别相应于各自对应的无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对右舵的整流系数。

其进一步的技术方案为，对中间变量相应于无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对左右舵的整流系数，包括对于每一类舵力对应的各个中间变量：

按照-a·v′-b·r′的形式进行回归处理得到第一回归系数a和第二回归系数b，其中，r′为无因次回转角速度，v′为无因次侧向速度；

确定整流系数k＝b/a。

其进一步的技术方案为，基于角速度确定无因次回转角速度，基于漂角确定无因次侧向速度，包括：

确定无因次回转角速度r′＝r/L，确定无因次侧向速度v′＝sinβ，其中r为角速度，L为船模的长度，β为漂角。

其进一步的技术方案为，根据斜率、法向力系数和截距确定中间变量，包括：

根据斜率和法向力系数确定舵前来流速度比，舵前来流速度比为舵前来流速度与船模速度的比值；

确定截距为有效舵角；

根据舵前来流速度比和有效舵角确定中间变量为

其中

为舵前来流速度比且U_Rs表示舵前来流速度、U表示船模速度，δ_Rs表示有效舵角。

其进一步的技术方案为，拟合曲线的函数形式为

则斜率为

则根据斜率和法向力系数确定舵前来流速度比包括确定舵前来流速度比

其中f_α为法向力系数，δ为舵角。

其进一步的技术方案为，在每次试验工况下测得的各个舵力表示为

对舵力进行无因次化处理得到无因次化舵力为

则对无因次化舵力和舵角做拟合曲线，包括：

利用δ_Rs-δ代替sin(δ_Rs-δ)对无因次化舵力进行处理得到处理后的无因次化舵力为：

在相同漂角和角速度下，对处理后的无因次化舵力相对于舵角做拟合曲线。

其进一步的技术方案为，确定法向力系数，包括：

在进行敞水舵水动力测试试验时，确定舵的面积A、试验速度U_η和试验时的舵角δ_η和作用在船模的舵上的法向力F_η，根据如下公式计算得到法向力系数f_α为

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法，该方法针对双桨双舵船在实验室水池环境下，通过开展回转运动约束模试验和数据拟合的方法获得船体对舵的水动力干扰中的整流系数，结合双桨双舵船回转运动约束模试验数据，进行数据近似和回归处理，仅通过回转运动约束模试验，即可确定双桨双舵船的船体对舵的水动力干扰中的整流系数，弥补了这一行业的技术空缺，而且操作简单、数据相关性高，且具有良好的工程效果。

附图说明

图1是本申请公开的船体对舵的整流系数确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤S1，按缩比制作双舵船的由船体模型和舵模型构成的船模，在拖曳水池对船模开展敞水舵水动力测试试验，在试验时，确定舵的面积A、试验速度U_η和试验时的舵角δ_η和作用在船模的舵上的法向力F_η，由此按照如下公式计算得到舵的法向力系数f_α为：

步骤S2，在不同试验工况下对船模进行操纵性回转运动约束模试验，在船模试验时，若整体船模具体螺旋桨模型，则螺旋桨模型是拆除的，仅有裸船体模型和舵模型。不同试验工况的舵角δ、漂角β以及角速度r存在至少一个不同，在每次试验时，获取当前试验工况下作用在船模上的左舵力和右舵力。

本申请的不同试验工况下的参数取值以及测量参量的情况如下表的举例所示，本申请以此示意：

得到所有试验工况下的左右舵力后，对左舵力和右舵力分别处理，处理过程相同，也即对所有左舵力和右舵力中属于同一类的所有舵力执行如下操作，所有左舵力即属于同一类，所有右舵力也属于同一类，每个试验工况下测得左右舵力大小是不同的，但左右舵力的形式是相同的，因此测得的各个舵力可以统一表示，则对于每一类所有舵力执行如下操作：

步骤S3，对该类所有舵力分别进行无因次化处理得到无因次化舵力。

在每次试验工况下测得的各个舵力表示为

其中，ρ为水的密度，A为舵的面积，U_Rs为当次试验的舵前来流速度，f_α为上述步骤S1确定得到的法向力系数，δ_Rs为当次试验的有效舵角，δ为当次试验的舵角。

步骤S4，对舵力进行无因次化处理得到无因次化舵力为

其中，U表示当次试验的船模速度。

步骤S5，在相同漂角β和角速度r下，对无因次化舵力和舵角做拟合曲线并确定线性部分直线的斜率和截距。

本申请在进行曲线拟合时，通常不是直接对无因次化舵力F′及舵角δ进行拟合，而是首先对sin(δ_Rs-δ)进行近似处理，通常情况下δ_Rs-δ比较小，因此可以直接利用δ_Rs-δ代替sin(δ_Rs-δ)对无因次化舵力进行处理得到处理后的无因次化舵力为：

若δ_Rs-δ比较大，则不能近似处理，此时可以将对应数据进行剔除。

对相同漂角β和角速度r下的所有处理后的无因次化舵力F″及舵角δ做拟合曲线F″～δ，则拟合曲线的线性部分直线的斜率为

截距为B＝δ_Rs。

步骤S6，根据每个漂角β和角速度r组合对应的拟合曲线的斜率、截距及法向力系数f_α确定相应漂角和角速度对应的中间变量。

首先根据斜率K和法向力系数f_α确定舵前来流速度比

舵前来流速度比

为舵前来流速度U_Rs与船模速度U的比值。由于截距B＝δ_Rs也即截距即为有效舵角。

根据舵前来流速度比

和有效舵角δ_Rs确定中间变量为

步骤S7，基于角速度r确定无因次回转角速度r′，基于漂角β确定无因次侧向速度v′，其中，无因次回转角速度r′＝r/L，无因次侧向速度v′＝sinβ，L为船模的长度。

步骤S8，对该类舵力的各个中间变量分别相应于各自对应的无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对相应的左舵或右舵的整流系数，在进行回归处理时，按照-a·v′-b·r′的形式进行回归处理得到第一回归系数a和第二回归系数b，具体做法可以是将各个角速度r和漂角β的组合及对应的中间变量、r′、v′列于下标做回归处理，比如列得的表格示意如下：

在得到第一回归系数a和第二回归系数b，即能确定整流系数k＝b/a。对左右舵力分别执行上述步骤S3～S8即能得到船体对左舵的整流系数以及船体对右舵的整流系数。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双桨双舵船的船体对舵的整流系数确定方法，其特征在于，所述方法包括：

制作双舵船的由船体模型和舵模型构成的船模，并对所述船模开展敞水舵水动力测试试验确定法向力系数；

在不同试验工况下对所述船模进行操纵性回转运动约束模试验并在每次操纵性回转运动约束模试验中获取当前试验工况下作用在所述船模上的左舵力和右舵力，不同试验工况的舵角、漂角以及角速度存在至少一个不同；

对所有左舵力和右舵力中属于每一类的所有舵力，对该类所有舵力分别进行无因次化处理得到无因次化舵力，并在相同漂角和角速度下，对无因次化舵力和舵角做拟合曲线确定线性部分直线的斜率和截距，根据所述斜率、所述法向力系数和所述截距确定相应漂角和角速度对应的中间变量；

基于角速度确定无因次回转角速度，基于漂角确定无因次侧向速度，对左舵力的各个中间变量分别相应于各自对应的无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对左舵的整流系数，对右舵力的各个中间变量分别相应于各自对应的无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对右舵的整流系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对中间变量相应于无因次回转角速度和无因次侧向速度进行回归处理并根据回归系数计算得到船体对左右舵的整流系数，包括对于每一类舵力对应的各个中间变量：

按照-a·v′-b·r′的形式进行回归处理得到第一回归系数a和第二回归系数b，其中，r′为所述无因次回转角速度，v′为所述无因次侧向速度；

确定整流系数k＝b/a。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于角速度确定无因次回转角速度，基于漂角确定无因次侧向速度，包括：

确定所述无因次回转角速度r′＝r/L，确定所述无因次侧向速度v′＝sinβ，其中r为所述角速度，L为所述船模的长度，β为所述漂角。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述斜率、所述法向力系数和所述截距确定中间变量，包括：

根据所述斜率和所述法向力系数确定舵前来流速度比，所述舵前来流速度比为舵前来流速度与船模速度的比值；

确定所述截距为有效舵角；

根据所述舵前来流速度比和所述有效舵角确定所述中间变量为

其中

为所述舵前来流速度比且U_Rs表示舵前来流速度、U表示船模速度，δ_Rs表示所述有效舵角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述拟合曲线的函数形式为

则所述斜率为

则所述根据所述斜率和所述法向力系数确定舵前来流速度比包括确定舵前来流速度比

其中f_α为所述法向力系数，δ为舵角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

在每次试验工况下测得的各个舵力表示为

对舵力进行无因次化处理得到无因次化舵力为

则所述对无因次化舵力和舵角做拟合曲线，包括：

利用δ_Rs-δ代替sin(δ_Rs-δ)对所述无因次化舵力进行处理得到处理后的无因次化舵力为：

在相同漂角和角速度下，对处理后的无因次化舵力相对于舵角做所述拟合曲线。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定法向力系数，包括：

在进行敞水舵水动力测试试验时，确定舵的面积A、试验速度U_η和试验时的舵角δ_η和作用在所述船模的舵上的法向力F_η，根据如下公式计算得到所述法向力系数f_α为

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