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原文传递基于Magnus效应的船舶减摇装置性能分析及试验研究

论文题名：	基于Magnus效应的船舶减摇装置性能分析及试验研究
关键词：	船舶减摇装置;Magnus效应;稳定力矩;水动力性能
摘要：	船舶减摇逐渐成为现代高性能船舶的必要功能，实现经济实用的全航速高效减摇是船舶减摇装置的最终目标。本文利用Magnus效应原理，设计并制造了可控转速的摆动圆柱，将其运用于减摇装置中，替代减摇鳍的翼面提供有航速下的稳定力矩。并可利用装置的自身摆动在静水中产生升力，最终实现船舶全航速减摇。　　本文对旋转圆柱进行了数值及试验研究，分析了雷诺数、转速比、长径比、截面形状对水动力性能的影响，根据巨柱仙人掌的抗风能力设计了具有圆形凸起的减振圆柱。对优化后的旋转圆柱进行了升力单元机构设计研发，并通过试验验证了其性能。设计开发了针对此种减摇装置的整船减摇控制方法。最终采用安装了四组升力单元的船模进行水池耐波性试验。　　确定适合的Magnus升力杆截面形状及长径比。采用数值模拟及试验方法对带自由端的旋转圆柱水动力性能进行研究。数值模拟采用LES方法，试验方面自主研发了带有假底的旋转圆柱水动力测试装置。得出长径比分别为5、7、9的旋转圆柱在较高雷诺数变转速比工况下的水动力性能，结果表明，长径比与旋转圆柱的升阻比在受试范围内呈正相关性，探讨了旋转圆柱自由端对整体升力性能的影响。为提高升力以及升阻比，设计多种长径比为7的截面形状。监测旋转圆柱升力振荡情况，依据巨柱仙人掌为原型的仿生圆凸结构，得到平均54.36％、最高82.46％的减小升力振幅的效果。并通过数值模拟及PIV试验方法获得涡量场信息，以此为基础探讨分析了振动产生过程及仿生圆柱的减小升力振幅的机理。通过对比旋转圆柱及NACA系列水翼得到在相同迎流面积下二者的升力性能接近，证明了旋转圆柱在目标减摇领域可实现小舱容需求的可收放功能。通过结构及水动力性能分析，确定了适合制造Magnus升力杆的圆柱截面形状及长径比。　　设计研发电动伺服动力源的Magnus摆动减摇升力单元及其配套水动力测量装置。分别进行了单元的转动惯量优化和换向助力电路控制改造，其中转动惯量优化采用结构强度部件（高密度部件）靠近转动中心轴的原则，对无刷电机进行轴体改造，并用满足计算刚度需求的低填充度耐水3D打印材料作为水密保型结构;换向助力电路控制改造方面采用以超级电容为核心的换向蓄能电路，解决了在旋转换向期间的感性负载过大导致的Mosfet被击穿问题，并提高了摆动升力单元的换向响应能力。通过水池试验研究验证了摆动升力单元可提供持续的升力，同时采用PIV流场测量试验，揭示了流动细节。阐述了以摆速、摆动转速比、摆角为控制参数的升力差异及其内部机理。确定摆速转速比的合理配合，得出摆角与平均升力成正相关的结论。　　针对安装四组升力单元的水面舰船开发了对应的减摇控制方法。依据升力单元的运动形式及船模的横摇模式，将减摇控制以临界航速为划分条件分为零航速减摇、低航速减摇、超过临界航速减摇。零航速采用摆动减摇;低航速采用差速摆动减摇;超临界航速采用不摆动减摇。并提出等待式减摇、预设换向区间式减摇、等周期式减摇等基于船舶波浪中横摇运动预报的节能控制方法。在确定零航速及有航速时转速比与升力都呈良好的线性关系的前提下，决定系统采用PID控制，并采用速度环为外环、加速度环为内环的串级双闭环PID控制方法设计减摇控制系统，以实现系统对升力单元中包含双执行机构的参数控制。　　进行了装有四组升力单元的6m船模拖曳水池正横浪耐波性试验。选用造波机造波为零航速船模提供外激励，选用船载重力式可控滑块为有航速船模提供外激励，针对零航速状态及有航速状态分别设计多种工况。获得了摆速、摆动转速比、摆角为不同变量参数的减摇性能。在有航速试验中找出针对Magnus效应减摇装置的摆动临界航速，实践中发现减摇性能在未到临界航速范围急剧增加，达到或超越临界航速后减摇效果基本不变。正横浪试验中获得零航速最大89.8％的减摇效果，有航速最大96.9％的减摇效果。对若干升力单元不工作下的减摇系统冗余度进行了零航速试验，可为船舶特种作业工况下提供减摇方案指导，最终得出结论，三杆工作时有效减摇86.18％，双杆工作时最低有效减摇73.59％。试验总体实现了预期目标，并为Magnus摆动减摇装置的设计开发提供了有效思路。
作者：	张佐天
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	郭春雨
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020