CN113656894B - 一种三体船操纵性回转和z形运动的直接模拟计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，涉及船舶水动力操纵性领域，包括如下步骤：S1：物理建模，收集目标数据，建立三体船光体物理模型和喷水推进物理模型；S2：建立数值模拟计算域，包括数值模拟计算背景域和三体船运动域；S3：设置数值计算模型，设定喷水推进转子转速控制策略、三体船航向控制和喷管旋转控制策略；S4：数值求解计算：数值模拟出三体船回转或Z形操纵的运动轨迹。本发明采用背景域跟随三体船运动域同步运动的技术方案，通过合理的控制策略对航向和喷管旋转进行控制，使得该方法能够模拟船体在六个自由度上的实时拟真运动和精细流场，实现喷水推进船舶的操纵性回转和Z形的直接模拟。

Description

一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法

技术领域

本发明涉及船舶水动力操纵性领域，尤其涉及一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法。

背景技术

目前船舶操纵性领域应用较广的数学模型主要包括：由美国 Abkowitz教授以其名字命名的非线性操纵性运动数学模型和由日本操纵性数学研究小组借鉴该模型提出的MMG(Maneuvering Model Group)分离型非线性操纵性运动数学模型，两种方法通过建立操纵性的纯数学模型可以在短时间内快速仿真预报船舶操纵性能。

近年来，随着计算机性能和基于有限体积法的粘流CFD的快速发展，使得采用直接数值模拟进行船舶操纵性能研究成为了可能，相较于以上采用纯数学模型方法进行船舶操纵性数值计算和预报的方法，采用粘流CFD直接数值模拟方法能够模拟真实的船体运动、桨的旋转以及舵的转向，实时的环境载荷和船、桨、舵之间完全非线性的复杂相互作用能够直接模拟，获得更为直观模拟效果和流场细节。

尽管目前粘流CFD方法在操纵运动船舶水动力的预报精度和经济性方面要稍逊于自航模试验方法和数值仿真模型，然而粘流CFD 方法具备自航模方法和纯数学模型仿真方法无法比拟的优点：首先，粘流CFD方法无需真实的船舶模型，而只需数值概念上的模型，因而非常便于修改船型参数和设置环境因素；其次，它能够方便获得流场的信息，从而帮助人们深入理解船舶操纵运动的机理。

现代大型高速喷水推进三体船具有三体船型优秀的阻力性能、横向稳定性、宽阔的甲板和喷水推进带来的优异操纵性能，喷水推进器通过进流与出流的动量差产生推力，通过喷水推进转向机构改变喷射水流方向从而实现船舶的操纵，这会带来船尾周围的流动的显著变化，流场细节较传统螺旋桨更复杂，现有的喷水推进三体船操纵性数学仿真模型无法考虑水动力的全非线性，无法实时模拟三体船操纵过程实际复杂运动，综上所述，有待发明一种考虑水动力的全非线性的，可实时模拟三体船操纵过程实际复杂运动的三体船运动模拟计算方法。

发明内容

本发明提供一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，解决了现有喷水推进三体船操纵性数学仿真模型无法考虑水动力的全非线性，无法实时模拟三体船操纵过程实际复杂运动的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，包括如下步骤：

S1：物理建模，收集目标喷水推进三体船的型线、推进系统型值数据，根据目标喷水推进三体船的型线、推进系统型值数据，利用三维建模软件建立三体船光体物理模型和喷水推进物理模型，所述喷水推进物理模型包括喷水推进流道、喷水推进转子和喷水推进前置/后置定子和喷水推进尾喷管；

S2：建立数值模拟计算域，将S1建立的三体船光体物理模型和喷水推进物理模型导入至CFD软件，建立数值模拟计算背景域和三体船运动域，设置数值模拟计算域的多级坐标系和三体船运动模块；

S3：设置数值计算模型，定义S2所述数值模拟计算域各边界条件，设定CFD数值求解模型，根据操纵性回转运动或Z形运动的模拟需求，设定喷水推进转子转速控制策略、三体船航向控制和喷管旋转控制策略；

S4：数值求解计算：初始化流场及设置，根据S2建立的数值模拟计算域和S3所设置的数值计算模型，数值模拟出三体船回转或Z 形操纵的运动轨迹。

优选地，所述S2包括如下步骤：

S201：建立物理模型，将S1所述三体船光体物理模型、喷水推进流道和喷水推进前置/后置定子合并为整体模型，将S1所述喷水推进转子和喷水推进尾喷管作为单独模型；

S202：计算流域划分，将S201所述整体模型和单独模型导入CFD 数值模拟软件，进行计算流域划分，所述计算域包括背景运动域、三体船运动域和喷水推进转子旋转域和喷水推进喷管旋转域四个部分；

S203：建立多级坐标系，多级坐标系系统包括大地坐标系O-XYZ、三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G、背景运动域坐标系O_B-X_BY_BZ_B、喷水推进转子旋转坐标系O_p-X_pY_pZ_p和喷水推进喷管转向坐标系 O_r-X_rY_rZ_r，其中大地坐标系为一级坐标系，背景运动域坐标系和三体船运动域坐标系为二级坐标系，喷水推进转子旋转坐标系为三级坐标系；其中大地坐标系O-XYZ的原点O在船舶未开始运动的重心G位置，X轴沿初始的船首方向，Y轴沿初始的船体左舷方向，Z轴垂直向上；三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G以三体船重心G为原点O_G， X_G轴指向船首，Y_G轴指向船体左舷，Z_G垂直于X_GO_GY_G平面；背景运动域跟随三体船运动域移动，背景运动域坐标系为O_B-X_BY_BZ_B，原点与三体船运动坐标系原点重合，X_B轴与大地坐标系X同向，Y_B轴与大地坐标系Y轴同向，Z_B轴垂直向上；喷水推进转子旋转坐标系为O_p-X_pY_pZ_p，O_p位于喷水推进转子旋转中心，X_p指向船体左舷， Y_p垂直指向上方，Z_p指向喷水推进转子轴向朝船首方向；喷水推进喷管转向坐标系为O_r-X_rY_rZ_r，O_r位于喷管转向旋转中心，X_r指向轴向朝船首方向，Y_r指向船体左舷，Z_r轴垂直向上；

S204：建立三体船六自由度运动模块，根据船体的纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇六个自由度的运动，建立三体船六自由度运动模块；三体船六自由度运动模块根据计算过程中三体船船体实时受力，通过刚体运动方程和S203所述多级坐标系，对三体船运动进行计算。

优选地，所述S3包括如下步骤：

S301：设置计算域边界条件，设置数值模拟计算域背景域的进流面、两个侧面、顶部和底部为速度入口边界条件，设置数值模拟计算域背景域的出口面为压力出口边界条件；设置三体船运动域外边界、喷水推进转子旋转域的转子外边界和喷水推进喷管旋转域外边界为重叠网格边界条件，设置目标三体船船体、喷水推进转子、喷水推进流道、喷水推进定子和喷水推进喷管表面为壁面边界条件；

S302：划分网格，对背景运动域、三体船运动域、喷水推进转子旋转域、喷水推进喷管旋转域进行网格划分，建立背景运动域网格与三体船运动域网格的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行，建立三体船运动域与喷水推进转子旋转域的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行，建立三体船运动域与喷水推进喷管旋转域的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行；设置数值计算模型，选择k-ε或k-ω湍流模型，采用 VOF自由表面追踪方法捕捉自由液面；

S303：对直航阶段的喷水推进转子转速进行控制，设定喷水推进转子转速自动控制器，所述转速自动控制器采用以三体船当前速度与目标航速差为差值项的PID控制器；

S304：对回转或Z形操纵阶段的三体船航向进行控制，航向控制通过对喷水推进喷管转向控制来实现，对喷水推进喷管设定转向自动控制器，当进行回转或Z形操纵时所述转向自动控制器采用以三体船当前艏向角与目标艏向角差为差值项的PID控制器；

S305：对三体船定常回转操纵或Z形操纵阶段的三体船转艏角度进行控制，在进行±δ₀角度定常回转操纵时，调整喷水推进喷管角度为目标定常回转角±δ₀，当进行±δ₀/±δ₀的Z形操纵时，通过Z 形运动规则将喷水推进喷管角度在[-δ₀,+δ₀]范围内调整；

优选地，所述S4包括如下步骤：

S401：初始化数值模拟流场，进行CFD数值模拟计算，给定喷水推进三体船初始航速V₀和初始航向艏向角为0，喷水推进转子根据控制器自动控制转速产生推力推动三体船前进，三体船通过航向控制器保持艏向角稳定；

S402：计算模拟数值，在每个时间步长下更新三体船运动域六个自由度状态，同时将三体船运动域的位移赋予至背景运动域，使背景域与三体船同步运动，实现喷水推进三体船水平面内实时位移运动，数值模拟过程中通过航速控制器使三体船航速在开始阶段短暂降低之后迅速稳定至目标航速V₀，通过航向控制器使三体船艏向角在0 附近稳定振荡，在三体船航速达到目标航速并稳定后，开始三体船操纵性回转或Z形运动模拟；

S403：进行±δ₀回转操纵时，停用三体船航速和航向控制器，将喷水推进转子转速设置为V₀航速下对应自航点转速，将喷水推进喷管喷角调整为±δ₀，使三体船运动形成稳定的回转圈；

S404：进行±δ₀/±δ₀的Z形操纵时，停用三体船航速和航向控制器，将喷水推进转子转速设置为V₀航速下对应自航点转速，将喷水推进喷管喷角逐渐调整为对应的±δ₀，使三体船艏向角变化，当三体船艏向角超过喷管喷角时，调整喷管角度反方向旋转，直至等于反向的δ₀角度，如此往复1-2个周期，使三体船运动形成稳定的Z形运动轨迹。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，该操纵性能CFD直接模拟方法的计算域在与传统相对运动 CFD模拟模型保持一致的基础上，通过采用背景域跟随三体船运动域同步运动的技术方案，以及采用PID控制方法对喷水推进喷管和航向角自动控制，使得该方法能够模拟船体在六个自由度上的实时拟真运动和精细流场，实现喷水推进船舶的操纵性回转和Z形的直接模拟；

本发明提供的直接模拟模型，能够有效解决传统CFD需要通过大量数值模拟PMM试验获取船舶粘性水动力系数，从而采用操纵性数学模型进行编程仿真计算操作性能的复杂过程，本发明方法仅需单次模拟即可获取三体船定常回转角度或Z形操舵的操纵性能数据和流场细节，较传统CFD模拟大量PMM试验的效率大为提升。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明多级坐标系系统示意图。

图3为现有技术中喷水推进三体船船体和整体计算域示意图。

图4为本发明计算域网格划分示意图。

图5为本发明CFD操纵性30°右回转过程和轨迹结果示意图。

图6为本发明CFD操纵性±30°/±30°Z形过程和轨迹结果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

本发明提供一种技术方案：一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：

S1：物理建模，收集目标喷水推进三体船的型线、推进系统型值数据，根据目标喷水推进三体船的型线、推进系统型值数据，利用三维建模软件建立三体船光体物理模型和喷水推进物理模型，喷水推进物理模型包括喷水推进流道、喷水推进转子和喷水推进前置/后置定子和喷水推进尾喷管；

S2：建立数值模拟计算域，将S1建立的三体船光体物理模型和喷水推进物理模型导入至CFD软件，建立数值模拟计算背景域和三体船运动域，设置数值模拟计算域的多级坐标系和三体船运动模块；

S201：建立物理模型，将S1三体船光体物理模型、喷水推进流道和喷水推进前置/后置定子合并为整体模型，将S1喷水推进转子和喷水推进尾喷管作为单独模型；

S202：计算流域划分，将S201整体模型和单独模型导入CFD数值模拟软件，进行计算流域划分，计算域包括背景运动域、三体船运动域和喷水推进转子旋转域和喷水推进喷管旋转域四个部分；

S203：建立如图2所示多级坐标系，多级坐标系系统包括大地坐标系O-XYZ、三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G、背景运动域坐标系 O_B-X_BY_BZ_B、喷水推进转子旋转坐标系O_p-X_pY_pZ_p和喷水推进喷管转向坐标系O_r-X_rY_rZ_r，其中大地坐标系为一级坐标系，背景运动域坐标系和三体船运动域坐标系为二级坐标系，喷水推进转子旋转坐标系为三级坐标系；其中大地坐标系O-XYZ的原点O在船舶未开始运动的重心G位置，X轴沿初始的船首方向，Y轴沿初始的船体左舷方向，Z轴垂直向上；三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G以三体船重心G 为原点O_G，X_G轴指向船首，Y_G轴指向船体左舷，Z_G垂直于X_GO_GY_G平面；背景运动域跟随三体船运动域移动，背景运动域坐标系为 O_B-X_BY_BZ_B，原点与三体船运动坐标系原点重合，X_B轴与大地坐标系 X同向，Y_B轴与大地坐标系Y轴同向，Z_B轴垂直向上；喷水推进转子旋转坐标系为O_p-X_pY_pZ_p，O_p位于喷水推进转子旋转中心，X_p指向船体左舷，Y_p垂直指向上方，Z_p指向喷水推进转子轴向朝船首方向；喷水推进喷管转向坐标系为O_r-X_rY_rZ_r，O_r位于喷管转向旋转中心， X_r指向轴向朝船首方向，Y_r指向船体左舷，Z_r轴垂直向上。

以大地坐标系为一级坐标系，背景域坐标系和三体船运动域坐标系为二级坐标系，三级坐标系为喷水推进转子旋转坐标系和喷管转向坐标系，以大地坐标系OXYZ与三体船运动域坐标系为例，说明各坐标系间的转换关系，三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G相对大地坐标系O-XYZ的位置与速度定义为：

其中，η₁＝(x,y,z)为船体在大地坐标系下位置向量，η₂＝(φ,θ,ψ)分别为大地坐标系下船体姿态的横摇角、纵摇角和艏向角。ν₁＝(u,v,w)为船体运动坐标系下位置线速度，ν₂＝(p,q,r)为船体运动坐标系下各姿态角速度。

大地坐标系的速度通过以下矩阵转换至船体运动坐标系：

船体运动转换至大地坐标系则通过对旋转矩阵J₁和J₂求逆来进行。同理其他一级、二级和三级坐标系间具有子父关系的坐标系转换与此类似，此处不再赘述。

S204：建立三体船六自由度运动模块，根据船体的纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇六个自由度的运动，建立三体船六自由度运动模块；三体船六自由度运动模块根据计算过程中三体船船体实时受力，通过刚体运动方程和S203多级坐标系，对三体船运动进行计算。

S3：设置数值计算模型，定义S2数值模拟计算域各边界条件，设定CFD数值求解模型，根据操纵性回转运动或Z形运动的模拟需求，设定喷水推进转子转速控制策略、三体船航向控制和喷管旋转控制策略；

S301：设置计算域边界条件，如图3所示设置数值模拟计算域背景域的进流面、两个侧面、顶部和底部为速度入口边界条件，设置数值模拟计算域背景域的出口面为压力出口边界条件；设置三体船运动域外边界、喷水推进转子旋转域的转子外边界和喷水推进喷管旋转域外边界为重叠网格边界条件，设置目标三体船船体、喷水推进转子、喷水推进流道、喷水推进定子和喷水推进喷管表面为壁面边界条件；

S302：划分网格，如图4所所示对背景运动域、三体船运动域、喷水推进转子旋转域、喷水推进喷管旋转域进行网格划分，建立背景运动域网格与三体船运动域网格的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行，建立三体船运动域与喷水推进转子旋转域的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行，建立三体船运动域与喷水推进喷管旋转域的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行；设置数值计算模型，选择k-ε或k-ω湍流模型，采用VOF自由表面追踪方法捕捉自由液面；

S303：对直航阶段的喷水推进转子转速进行控制，设定喷水推进转子转速自动控制器，转速自动控制器采用以三体船当前速度与目标航速差为差值项的PID控制器；

对喷水推进转子设定转速自动控制器，采用以三体船当前速度 u_N和目标航速差值u₀为误差项的PID控制器，方程如下：

其中，n_p是应用于三体船自航模拟的喷泵转子转速，单位为RPM (r/min)或RPS(r/s)。a_x是船体纵向运动加速度。方程右边第一项误差项为e＝u₀-u_N，第二项积分项采用简捷的梯形法进行处理，u₀、 u_i和u_n分别为船舶目标速度、迭代时间步数为i的船舶速度和当前模拟时刻(模拟时间步数对应为NT)的船舶速度。P_r、I_r和D_r是相应的比例项、积分项和微分项系数，具体数值根据研究对象的不同情况进行相应设置。

S304：对回转或Z形操纵阶段的三体船航向进行控制，航向控制通过对喷水推进喷管转向控制来实现，对喷水推进喷管设定转向自动控制器，当进行回转或Z形操纵时转向自动控制器采用以三体船当前艏向角与目标艏向角差为差值项的PID控制器；

粘流CFD的操纵性直接数值模拟中，固定航向角控制、回转和 Z形需要用到三种不同的喷管角度控制方法，其中定向航行时采用的 PID控制方法，具体控制方程如下：

定向航行的控制方程本质上是将速度控制方程中喷泵转子转速替换成了喷管转向角度δ_n，将误差项的速度替换成了艏向角ψ，各项系数定义与步骤S303中系数定义类似。

回转操纵性直接模拟，以三体船以角度δ₀定常右回转为例，喷管角度控制方程如下：

式中δ_n为当前喷管旋转角度，r_max表示喷管转向时的最大旋转速度。

船舶作+δ₀/+δ₀的Z形操纵运动时，喷管角度控制方程如下：

式中t_i(i＝1,2,3,4)表示第i次进行喷管转向操纵的时刻。

S305：对三体船定常回转操纵或Z形操纵阶段的三体船转艏角度进行控制，在进行±δ₀角度定常回转操纵时，调整喷水推进喷管角度为目标定常回转角±δ₀，当进行±δ₀/±δ₀的Z形操纵时，通过Z 形运动规则将喷水推进喷管角度在[-δ₀,+δ₀]范围内调整；

S4：数值求解计算：初始化流场及设置，根据S2建立的数值模拟计算域和S3所设置的数值计算模型，数值模拟出三体船回转或Z 形操纵的运动轨迹。

S401：初始化数值模拟流场，进行CFD数值模拟计算，给定喷水推进三体船初始航速V₀和初始航向艏向角为0，喷水推进转子根据控制器自动控制转速产生推力推动三体船前进，三体船通过航向控制器保持艏向角稳定；

S402：计算模拟数值，在每个时间步长下更新三体船运动域六个自由度状态，同时将三体船运动域的位移赋予至背景运动域，使背景域与三体船同步运动，实现喷水推进三体船水平面内实时位移运动，数值模拟过程中通过航速控制器使三体船航速在开始阶段短暂降低之后迅速稳定至目标航速V₀，通过航向控制器使三体船艏向角在0 附近稳定振荡，在三体船航速达到目标航速并稳定后，开始三体船操纵性回转或Z形运动模拟；

S403：进行±δ₀回转操纵时，停用三体船航速和航向控制器，将喷水推进转子转速设置为V₀航速下对应自航点转速，将喷水推进喷管喷角调整为±δ₀，使三体船运动形成稳定的回转圈，如图5所示；

S404：进行±δ₀/±δ₀的Z形操纵时，停用三体船航速和航向控制器，将喷水推进转子转速设置为V₀航速下对应自航点转速，将喷水推进喷管喷角逐渐调整为对应的±δ₀，使三体船艏向角变化，当三体船艏向角超过喷管喷角时，调整喷管角度反方向旋转，直至等于反向的δ₀角度，如此往复1-2个周期，使三体船运动形成稳定的Z形运动轨迹，如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：物理建模，收集目标喷水推进三体船的型线、推进系统型值数据，根据目标喷水推进三体船的型线、推进系统型值数据，利用三维建模软件建立三体船光体物理模型和喷水推进物理模型，所述喷水推进物理模型包括喷水推进流道、喷水推进转子和喷水推进前置/后置定子和喷水推进尾喷管；

S2：建立数值模拟计算域，将S1建立的三体船光体物理模型和喷水推进物理模型导入至CFD软件，建立数值模拟计算背景域和三体船运动域，设置数值模拟计算域的多级坐标系和三体船运动模块；

S3：设置数值计算模型，定义S2所述数值模拟计算域各边界条件，设定CFD数值求解模型，根据操纵性回转运动或Z形运动的模拟需求，设定喷水推进转子转速控制策略、三体船航向控制和喷管旋转控制策略；

S4：数值求解计算：初始化流场及设置，根据S2建立的数值模拟计算域和S3所设置的数值计算模型，数值模拟出三体船回转或Z形操纵的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，其特征在于，所述S2包括如下步骤：

S201：建立物理模型，将S1所述三体船光体物理模型、喷水推进流道和喷水推进前置/后置定子合并为整体模型，将S1所述喷水推进转子和喷水推进尾喷管作为单独模型；

S202：计算流域划分，将S201所述整体模型和单独模型导入CFD数值模拟软件，进行计算流域划分，所述计算域包括背景运动域、三体船运动域和喷水推进转子旋转域和喷水推进喷管旋转域四个部分；

S203：建立多级坐标系，多级坐标系系统包括大地坐标系O-XYZ、三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G、背景运动域坐标系O_B-X_BY_BZ_B、喷水推进转子旋转坐标系O_p-X_pY_pZ_p和喷水推进喷管转向坐标系O_r-X_rY_rZ_r，其中大地坐标系为一级坐标系，背景运动域坐标系和三体船运动域坐标系为二级坐标系，喷水推进转子旋转坐标系为三级坐标系；其中大地坐标系O-XYZ的原点O在船舶未开始运动的重心G位置，X轴沿初始的船首方向，Y轴沿初始的船体左舷方向，Z轴垂直向上；三体船运动坐标系O_G-X_GY_GZ_G以三体船重心G为原点O_G，X_G轴指向船首，Y_G轴指向船体左舷，Z_G垂直于X_GO_GY_G平面；背景运动域跟随三体船运动域移动，背景运动域坐标系为O_B-X_BY_BZ_B，原点与三体船运动坐标系原点重合，X_B轴与大地坐标系X同向，Y_B轴与大地坐标系Y轴同向，Z_B轴垂直向上；喷水推进转子旋转坐标系为O_p-X_pY_pZ_p，O_p位于喷水推进转子旋转中心，X_p指向船体左舷，Y_p垂直指向上方，Z_p指向喷水推进转子轴向朝船首方向；喷水推进喷管转向坐标系为O_r-X_rY_rZ_r，O_r位于喷管转向旋转中心，X_r指向轴向朝船首方向，Y_r指向船体左舷，Z_r轴垂直向上；

S204：建立三体船六自由度运动模块，根据船体的纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇六个自由度的运动，建立三体船六自由度运动模块；三体船六自由度运动模块根据计算过程中三体船船体实时受力，通过刚体运动方程和S203所述多级坐标系，对三体船运动进行计算。

3.根据权利要求2所述的三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，其特征在于，所述S3包括如下步骤：

S301：设置计算域边界条件，设置数值模拟计算域背景域的进流面、两个侧面、顶部和底部为速度入口边界条件，设置数值模拟计算域背景域的出口面为压力出口边界条件；设置三体船运动域外边界、喷水推进转子旋转域的转子外边界和喷水推进喷管旋转域外边界为重叠网格边界条件，设置目标三体船船体、喷水推进转子、喷水推进流道、喷水推进定子和喷水推进喷管表面为壁面边界条件；

S302：划分网格，对背景运动域、三体船运动域、喷水推进转子旋转域、喷水推进喷管旋转域进行网格划分，建立背景运动域网格与三体船运动域网格的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行，建立三体船运动域与喷水推进转子旋转域的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行，建立三体船运动域与喷水推进喷管旋转域的重叠网格，计算过程中两个域的数值插值通过重叠网格进行；设置数值计算模型，选择k-ε或k-ω湍流模型，采用VOF自由表面追踪方法捕捉自由液面；

S303：对直航阶段的喷水推进转子转速进行控制，设定喷水推进转子转速自动控制器，所述转速自动控制器采用以三体船当前速度与目标航速差为差值项的PID控制器；

S304：对回转或Z形操纵阶段的三体船航向进行控制，航向控制通过对喷水推进喷管转向控制来实现，对喷水推进喷管设定转向自动控制器，当进行回转或Z形操纵时所述转向自动控制器采用以三体船当前艏向角与目标艏向角差为差值项的PID控制器；

S305：对三体船定常回转操纵或Z形操纵阶段的三体船转艏角度进行控制，在进行±δ₀角度定常回转操纵时，调整喷水推进喷管角度为目标定常回转角±δ₀，当进行±δ₀/±δ₀的Z形操纵时，通过Z形运动规则将喷水推进喷管角度在[-δ₀,+δ₀]范围内调整。

4.根据权利要求3所述的三体船操纵性回转和Z形运动的直接模拟计算方法，其特征在于，所述S4包括如下步骤：

S401：初始化数值模拟流场，进行CFD数值模拟计算，给定喷水推进三体船初始航速V₀和初始航向艏向角为0，喷水推进转子根据控制器自动控制转速产生推力推动三体船前进，三体船通过航向控制器保持艏向角稳定；

S402：计算模拟数值，在每个时间步长下更新三体船运动域六个自由度状态，同时将三体船运动域的位移赋予至背景运动域，使背景域与三体船同步运动，实现喷水推进三体船水平面内实时位移运动，数值模拟过程中通过航速控制器使三体船航速在开始阶段短暂降低之后迅速稳定至目标航速V₀，通过航向控制器使三体船艏向角在0附近稳定振荡，在三体船航速达到目标航速并稳定后，开始三体船操纵性回转或Z形运动模拟；

S403：进行±δ₀回转操纵时，停用三体船航速和航向控制器，将喷水推进转子转速设置为V₀航速下对应自航点转速，将喷水推进喷管喷角调整为±δ₀，使三体船运动形成稳定的回转圈；

S404：进行±δ₀/±δ₀的Z形操纵时，停用三体船航速和航向控制器，将喷水推进转子转速设置为V₀航速下对应自航点转速，将喷水推进喷管喷角逐渐调整为对应的±δ₀，使三体船艏向角变化，当三体船艏向角超过喷管喷角时，调整喷管角度反方向旋转，直至等于反向的δ₀角度，如此往复1-2个周期，使三体船运动形成稳定的Z形运动轨迹。

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