CN115268302B - 一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台。该平台首先通过模型参数输入和运动控制模块获取船舶和减摇旋柱的运动状态并将其处理后输出至升力预测模块和虚拟仿真模块；在虚拟仿真模块中，通过接收上述模块的参数进行仿真来实现对全航速、多工况下的减摇旋柱工作状态的模拟；在升力预测模块中，先对减摇旋柱进行微元化处理，对其进行水动力分析后进而得到在摆动‑转动模式下单周期内减摇旋柱的实时升力，并通过与期望对比来矫正平台参数；在优化决策模块中，能够对仿真试验结果进行优化分析。本发明优化了仿真模拟流程，实现了对全航速、多工况减摇旋柱在摆动‑转动模式下的实时升力分析，为其工程应用提供了可靠的理论分析平台。

Description

一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台

技术领域

本发明涉及船舶运动姿态的仿真试验技术领域，是一种船用减摇旋柱的仿真平台，尤其是一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台。

背景技术

减摇旋柱的主体为在船体两侧的旋转的圆柱体结构，与传统减摇装置的减摇机理不同，其减摇机理基于Magnus效应。在船舶航行时，装置可以通过圆柱体旋转与水流产生相互作用，在圆柱体上下表面产生压力差以产生升力来抵抗摇摆。在低零航速时，由于来流速度减小，减摇旋柱无法产生足够升力，因此可以在旋转的同时进行摆动从而增大相对来流速度以增大减摇旋柱的升力。

目前减摇旋柱摆动相关的研究存在以下问题：

(1)大多数减摇旋柱的研究都集中在有航速且不摆动的情况下，忽略了在低零航速时装升力不足的问题，无法实现多工况、全航速下的减摇旋柱的水动力性能分析，例如，专利号：CN202110862922.3《一种船用Magnus减摇装置粗糙度优化系统》；

(2)许多相关研究在涉及低航速时，其关注点往往在部分周期内的平均升力或者是摆动到某一特定角度时的具体升力，而在摆动过程中单周期内减摇旋柱产生的升力大小会发生较大变化，甚至方向也突变，仅用部分周期的平均升力或某一特定角度时的升力来代表减摇效果是十分片面的，这不利于对减摇旋柱在完整工作周期的实时控制，例如《船用Magnus减摇装置水动力性能研究》和《Magnus旋转式减摇装置的设计及其控制特性研究》。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台，来解决现有仿真计算方法不准确、计算效率不高、流程臃肿复杂，且没有考虑到在全航速下摆动过程中减摇旋柱产生的升力大小会实时变化的问题，此系统可以为船用减摇旋柱的工程应用提供可靠的理论分析平台。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：提供一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台，包括：模型参数输入模块、运动控制模块、升力预测模块、虚拟仿真模块、优化决策模块。

所述模型参数输入模块，用于接收用户输入的相关物理模型参数信息，包括减摇旋柱参数和船舶运动状态参数，具体涉及到减摇旋柱长度、减摇旋柱半径、装置表面粗糙度和流体介质参数，然后进行规范化处理，并将处理后的信息输出至升力预测模块和虚拟仿真模块。

所述运动控制模块，用于接收减摇旋柱的转动参数和摆动参数并将其转化成适合的运动控制规律，并输出至升力预测模块和虚拟仿真模块中，其包括如下步骤：

S1.1：考虑到减摇旋柱实际工作状态，选择减摇旋柱摆动的运动方程为：

式中：ω₂为减摇旋柱摆动角速度(rad/s)，t为时间(s)，T为摆动周期(s)；

S1.2：引入装置运动参数，考虑到减摇旋柱实际放置问题，需要限制摆动角度大小和运动初始角度，此时减摇旋柱的摆动的运动方程为：

式中：ω₂为装置摆动角速度(rad/s)，τ为摆动限制参量，T为摆动周期(s)，t为时间(s)，β为装置初始角度(rad)；

S1.3：推导运动表达式，模块输出的运动表达式为：

式中：θ为减摇旋柱的摆动角度(rad)，t为时间(s)，τ为摆动限制参量，与装置的限定角度有关，T为摆动周期(s)，β为装置初始角度(rad)。

所述升力预测模块，根据船舶全航速减摇旋柱的升力的产生机制，结合模型参数和运动控制规律对单周期内减摇旋柱的升力变化情况进行预测分析进而矫正平台参数，其包括如下步骤：

S2.1：减摇旋柱产生的升力F_L在理想流体中的大小可根据库塔-儒可夫斯基理论得到：

F_L＝2πρa²ω₁Vl (4)

式中：ρ为流体密度(kg/m³)，a为转子半径(m)，ω₁为圆柱体自转角速度(rad/s)，V为来流速度(m/s)，l为圆柱体展长(m)；

S2.2：对摆动过程的减摇旋柱进行微元化处理，并进行推导能够得到装置在全航速下产生的升力F_L为：

F_L＝πρω₁a²l(ω₂l-2Vsinθ) (5)

式中：ρ为流体密度(kg/m³)，ω₁为圆柱体自转角速度(rad/s)，a为转子半径(m)，l为圆柱体展长(m)，V为来流速度(m/s)，θ为减摇旋柱的摆动角度(rad)，ω₂为减摇旋柱摆动角速度(rad/s)；

S2.3：在理想条件下的全航速减摇旋柱在摆动时所产生的升力：

式中：θ为减摇旋柱的摆动角度(rad)，t为时间(s)，τ为摆动限制参量，与装置的限定角度有关，T为摆动周期(s)，ω₂为减摇旋柱摆动角速度(rad/s)，ρ为流体密度(kg/m³)，ω₁为圆柱体自转角速度(rad/s)，a为转子半径(_m)，_l为圆柱体展长(m)，V为来流速度(m/s)，θ为减摇旋柱的摆动角度(rad)；

所述虚拟仿真模块，依据输入的信息对减摇旋柱升力特性进行仿真试验，并输出试验结果至优化决策模块，其中仿真试验包括如下步骤：

S3.1：建立减摇旋柱的几何模型和计算域，设置边界条件；

S3.2：建立滑移网格并将网格导入FLUENT中，检查网格并调整模型的比例及单位；

S3.3：选择求解器和求解方法，加载湍流能量方程；

S3.4：选择需要求解的湍流能量方程；

S3.5：选取减摇旋柱的材料及计算域的物理特性；

S3.6：指定边界条件，调节解的控制参数；

S3.7：初始化流场，并开始迭代求解过程；

S3.8：将求解后的收敛结果导入后处理软件；

S3.9：分析处理后的压力云图、流线图，并拟合数据；

S3.10：对比航速、转速是否达到额定航速、转速，达到时仿真完成，未达到时对S3.6中的边界条件进行修改，并重复S3.6至S3.9的计算步骤；

特别的，对于S3.2由于在本次仿真中物理模型需要运动，因此选用滑移网格，将网格划分为内外两个流体域，内流体域负责摆动旋转，外流体域负责引入运动流体，两者通过交界面相连以互通数据，其中D为圆柱直径取0.3m，圆心处为原点，最终剖分完毕后的计算网格数约为165万个，对模型进行边界条件命名，入口边界命名为inlet，出口边界命名为outlet，减摇旋柱的柱面命名为Moving_wall，其他面为wall。

所述优化决策模块，用于对仿真试验结果进行优化分析。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用模块化设计，公开了一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台，针对减摇旋柱的摆动-转动模式设计了求解过程，解决了现有船用减摇旋柱摆动研究中的仿真计算方法不准确、计算效率不高、流程臃肿复杂的问题，大大优化了仿真模拟流程，提升了仿真工作效率；

(2)在本平台的运动控制模块和模型参数输入模块中能够分别设定减摇旋柱的运动模式和船舶航行状态，通过这两个模块之间的相互配合能够让此系统模拟在多工况、全航速下的减摇旋柱的工作情况，使此平台可以为船用减摇旋柱的工程应用提供可靠的理论分析平台；

(3)此外在本平台的升力预测模块中，使用微元法对减摇旋柱的进行了水动力分析，实现了对单周期内摆动的旋柱装置升力的实时变化的理论分析，为摆动-转动模式下的减摇旋柱的实时控制提供了理论依据。

附图说明

图1是一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台的结构示意图；

图2是减摇旋柱摆动过程示意图；

图3是升力预测模块的流程示意图；

图4是减摇旋柱升力产生机制示意图；

图5为微元处理后减摇旋柱的升力产生机制示意图；

图6为零航速时预测升力曲线与仿真升力曲线的对比示意图；

图7为航速为5节时预测升力曲线与仿真升力曲线的对比示意图；

图8为航速为10节时预测升力曲线与仿真升力曲线的对比示意图。

具体实施方式

下面将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。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。

实施例：如图1所示，图1为一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台的结构示意图，包括：模型参数输入模块、运动控制模块、升力预测模块、虚拟仿真模块、优化决策模块。

所述模型参数输入模块，用于接收用户输入的相关物理模型参数信息，包括减摇旋柱参数和船舶运动状态参数，然后进行规范化处理，具体的参数为：减摇旋柱的长度4m、减摇旋柱的半径0.3m、船舶航速阈值为0至12节、流体介质为水，最后将处理后的信息输出至升力预测模块和虚拟仿真模块。

所述运动控制模块，用于接收减摇旋柱的转动参数和摆动参数并将其转化成相应的运动控制规律，并输出至升力预测模块和虚拟仿真模块中，其包括如下步骤：

S1.1：选择减摇旋柱运动方程，由于减摇旋柱在航速不足的升力主要由摆动产生，因此摆动方程的选择会直接影响仿真效果。如图2所示，减摇旋柱要在一个摆动周期T内先从初始角摆动到停止角随后再从停止角摆回初始角，这是一种方向相反的往复运动，如果假设摆动角速度ω₂大小不变，角度θ的运动表达式可以用下面的分段函数来表示：

虽然这种运动模式在仿真平台十分容易实现，但在减摇旋柱的实际工作的过程中角速度无法突然变向，而且在仿真中运动方向的突然变化必然会引起减摇力矩的突变，这会降低仿真的准确性，所以在本模块选择如下运动方程：

式中：τ为摆动限制参量，与装置的限定角度有关。

S1.2：引入装置运动参数，考虑减摇旋柱的放置问题，在本示例中限制摆动角度为150度，摆动周期T为5s可以得到：

解得：τ＝1.64

β为装置初始角度，此时摆动运动方程可表示为：

S1.3：推导运动表达式，对上述方程积分可以得到：

可以看出，该表达式不但可以满足之前要求的往复运动，而且在装置要达到极限角度时，会慢慢减速至零再开始下一阶段的运动，这使得仿真结果更贴合减摇旋柱的实际工作状态。

所述升力预测模块，是通过微元法对减摇旋柱进行受力分析进而在仿真前得到大致的升力变化，从而推定仿真选择的参数是否合理，图3为升力预测模块的流程图。

S2.1：减摇旋柱在船舶航行时，能够通过其圆柱体结构的旋转来产生升力，如图4所示减摇旋柱产生的升力F_L在理想流体中的大小可根据库塔-儒可夫斯基理论得到：

F_L＝ρVlΓ＝2πρa²ω₁Vl (6)

式中：ρ为流体密度(kg/m³)，V为来流速度(m/_s)，l为圆柱体展长(m)，Γ为环流强度(m²·s/rad)，a为转子半径(m)，ω₁为圆柱体自转角速度(rad/s)；

从以上公式能够看出在减摇旋柱转速一定的情况下，其升力大小随着航速的增加而增大，换而言之减摇旋柱在低零航速下的减摇效果并不理想。但如果减摇旋柱在航速不足时除了自身的旋转外还发生摆动，相对来流速度除了要考虑船舶的航行速度外还要考虑减摇旋柱的摆动速度，这样就可以解决低零航速下减摇旋柱升力不足的问题。

S2.2：由于减摇旋柱摆动产生线速度会随着与摆动中心距离增大而增大，所以应先用微元法处理减摇旋柱，如图5所示，减摇旋柱微分处理后的一部分dr段的相对来流速度可以写成流体速度的垂直于圆柱体的速度分量和摆动产生的线速度的叠加，考虑到图中的坐标系关系，dr段产生的升力F_dr大小为：

F_dr＝2πρa²ω₁(ω₂r-Vsinθ)dr (7)

式中：ω₂为转子摆动角速度(rad/s)，θ为摆动的角度(rad)，积分后就是减摇旋柱整体产生的升力F_L为：

S2.3：引入运动模块转换的运动表达式，将其与升力公式联立，可以得到在理想条件下的全航速减摇旋柱在摆动时所产生的升力：

从式(10)中可以看出，在单周期内全航速减摇旋柱在摆动时的升力F_L在理论上的确是随着时间在不停变化。

所述虚拟仿真模块，用于依据输入的信息对减摇旋柱水动力特性进行仿真试验，并输出试验结果至优化决策模块，其包括如下步骤：

S3.1：依据输入的减摇旋柱的物理参数，建立求解区域的三维几何模型，并对模型建立网格和设置边界条件，由于仿真模型需要运动因此选用滑移网格，在网格内分为内外两个流体域，内流体域负责摆动旋转，外流体域负责引入运动流体，两者通过交界面相连以互通数据，其中D为圆柱直径取0.3m，圆心处为原点，最终剖分完毕后的计算网格数约为165万个，对模型进行边界条件命名，入口边界命名为inlet，出口边界命名为outlet，减摇旋柱的柱面命名为Moving_wall，其他面为wall；

S3.2：将绘制完成的网格导入FLUENT中，检查网格并调整模型的比例及单位，经检查网格质量正常，按原比例导入，长度单位为米；

S3.3：选择求解器与求解方法，加载湍流能量方程；求解器共有四种选择：二维单精度求解器、三维单精度求解器、二维双精度求解器与三维双精度求解器，这里选择用三维双精度求解器；求解方法共有三种选择：非耦合求解、耦合隐式求解与耦合显式求解，这里选择非耦合求解；

S3.4：选择需要求解的湍流能量方程；本次实施例中选用分离涡模拟(DES)；

S3.5：选取减摇旋柱材料及计算域的物理特性；减摇旋柱材料采用默认固体材料，计算域的材料为水，密度ρ为998.16(kg/m³)，运动粘性系数v为1.0037×10⁶(m²/s)；

S3.6：指定边界条件，调节解的控制参数，入口采用速度入口且入口速度为4节，出口采用压力出口，减摇旋柱自转转速转设定为600(r/min)，以UDF文件的形式载入装置运动控制规律；

S3.7：初始化流场，并开始迭代求解过程；

S3.8：将求解后的收敛结果导入后处理软件；

S3.9：分析处理后的力矩数据，再输出至优化决策模块；

S3.10：对比航速、转速是否达到额定航速、转速，达到时，仿真完成；未达到时，对S3.6中的边界条件进行修改，并重复S3.6至S3.9的计算步骤。

所述优化决策模块，是用于对仿真试验的结果进行优化分析，首先对预测和仿真的升力数据进行拟合并对比，(如图6,7,8所示)拟合后各个航速下仿真模块与升力预测模块的变化趋势大抵相同，这说明预测模块能够在仿真前预报减摇旋柱升力变化趋势，理论与实践得到了相互验证，但在从图中可以看到两条升力曲线的存在差异部分，尤其在有航速的情况下减摇旋柱摆动开始换向时误差最大，这很可能是由于前半个周期产生的扰动尾流的干扰所至，但这与理论预报结果的误差也可以看作为研究扰动影响的分析依据，大大拓宽了本发明的使用前景。

最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而并非限制，尽管参照较佳的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (1)

1.一种基于微元法的船用减摇旋柱实时升力仿真平台，其特征包括：模型参数输入模块、运动控制模块、升力预测模块、虚拟仿真模块、优化决策模块；

所述模型参数输入模块，用于接收用户输入的相关物理模型参数信息，并对其进行规范化处理，涉及的具体参数包括减摇旋柱参数和船舶运动状态参数，最后将处理后的信息输出至升力预测模块和虚拟仿真模块；

所述运动控制模块，用于接收减摇旋柱的转动参数和摆动参数并将其转化成相应的运动控制规律，并输出至升力预测模块和虚拟仿真模块中，其包括如下步骤：

S1.1：选择减摇旋柱运动方程，并引入装置限制参数，此时减摇旋柱的摆动的运动方程为：

式中：ω₂为减摇旋柱摆动角速度(rad/s)，τ为摆动限制参量，T为摆动周期(s)，t为时间(s)，β为装置初始角度(rad)；

S1.2：推导运动表达式，模块输出的运动表达式为：

式中：θ为减摇旋柱的摆动角度(rad)，t为时间(s)，τ为摆动限制参量，T为摆动周期(s)，t为时间(s)，β为减摇旋柱的初始角度(rad)；

所述升力预测模块，根据船舶全航速减摇旋柱升力的产生机制，结合模型参数和运动控制规律对周期内减摇旋柱的升力变化情况进行预测分析进而矫正平台参数，其包括如下步骤：

S2.1：利用微元法对减摇旋柱进行水动力分析，则摆动过程中减摇旋柱在全航速下产生的升力F_L为：

F_L＝πρω₁a²l(ω₂l-2Vsinθ) (3)

式中：ρ为流体密度(kg/m³)，ω₁为圆柱体自转角速度(rad/s)，a为转子半径(m)，l为圆柱体展长(m)，V为来流速度(m/s)，θ为减摇旋柱的摆动角度(rad)，ω₂为减摇旋柱的摆动角速度(rad/s)；

S2.2：将运动控制模块输出的(2)式和本模块的(3)式联立，即可得到减摇旋柱在摆动-转动模式下特定摆动运动的船用减摇旋柱的实时升力公式；

所述虚拟仿真模块，依据输入的信息对减摇旋柱升力特性进行仿真试验，并输出试验结果至优化决策模块，其中仿真试验包括如下步骤：

S3.1：建立并导入减摇旋柱几何模型和滑移网格计算域，设置边界条件；

S3.2：选择求解器和求解方法，加载湍流能量方程；

S3.3：选取减摇旋柱的材料及计算域的物理特性、指定边界条件；

S3.4：初始化流场，并开始迭代求解过程；

S3.5：将求解后的收敛结果导入后处理软件；

S3.6：分析处理后的压力云图、流线图，并拟合数据；

S3.7：对比航速、转速是否达到额定航速、转速，达到时仿真完成，未达到时对S3.3中的边界条件进行修改，并重复S3.3至S3.6的计算步骤；

所述优化决策模块，用于对仿真试验结果进行优化分析。

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