實船耐波性預報系統(tǒng)開發(fā)與應用

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(1.高速水動力航空科學技術重點實驗室,湖北 荊門 448035;2.中國特種飛行器研究所,湖北 荊門 448035)

Visual Studio是美國微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品,它具有基本完整的開發(fā)工具集,所寫的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺[1]。

船舶耐波性是船舶在波浪中運動特性的統(tǒng)稱,它包括船舶在波浪中所產(chǎn)生的各種搖蕩運動以及由這些運動引起的砰擊、飛濺、上浪、失速、螺旋槳飛車和波浪彎矩變化等。船舶在任意時刻的運動可以分解為O-xyz坐標系內(nèi)船舶重心沿3個坐標軸的直線運動及船體繞3個坐標軸的轉動。這些運動又分為單向運動和往復運動,因此共有12種運動形式。船舶搖蕩運動中橫搖、縱搖和垂蕩對船舶航行影響最大,是船舶搖蕩運動研究的主要內(nèi)容。遭遇浪向在左右舷之間0°～15°時稱為順浪,遭遇浪向在左右舷之間165°～180°時稱為頂浪。順浪和頂浪統(tǒng)稱為縱向?qū)?縱向?qū)酥饕a(chǎn)生縱向運動,它包括縱搖、縱蕩和垂蕩。遭遇浪向在左右舷之間75°～105°時稱為橫浪,橫浪主要產(chǎn)生橫向運動,它包括橫搖、艏搖和橫蕩。遭遇浪向在左右舷之間15°～75°時稱為尾斜浪,遭遇浪向在左右舷之間105°～165°時稱為首斜浪。尾斜浪和首斜浪既產(chǎn)生縱向運動,又產(chǎn)生橫向運動。為了預報實船在海浪上的性能,必須對海浪進行研究。波面可以用簡單函數(shù)表達的波浪稱為規(guī)則波。規(guī)則波不僅能近似表示涌,還是研究不規(guī)則波的基礎[2]。

本文基于規(guī)則波的波面進行耐波性預報[3-4]。在拖曳水池對船模進行拖曳,通過船模試驗測得船模耐波性數(shù)據(jù),再根據(jù)船模與實船之間的換算關系式得到實船耐波性數(shù)據(jù)。通過本文提出的耐波性預報系統(tǒng)可以直接由船模數(shù)據(jù)得到實船數(shù)據(jù),為船舶試驗設計專用軟件的開發(fā)及應用奠定基礎。

1 系統(tǒng)預報模型[1]

1.1 遭遇頻率

設船以航速v在規(guī)則波(波長為λ,速度為c)中航行,船的航向與波浪傳播方向夾角為β,如圖1所示。

圖1 船在規(guī)則波中的航行示意圖Fig.1 Sketch map of ship moving in regular wave

波浪作用于船的遭遇周期

(1)

遭遇頻率

(2)

無因次頻率換算公式為

(3)

式中:ω為頻率;L為垂線間長;g為重力加速度。根據(jù)式(1)和式(2)可得出船舶的遭遇頻率。

1.2 頻率響應函數(shù)

船舶的耐波性預報主要對平均阻力增量、角度雙幅值、升沉雙幅值、艏部加速度雙幅值、舯部加速度雙幅值和艉部加速度雙幅值等進行分析,因此首先必須得出它們的頻率響應函數(shù)。在波浪作用下船體的動態(tài)特征可以用頻率范圍內(nèi)的頻率響應法來描述。船舶的頻率響應函數(shù)

(4)

1.3 譜密度函數(shù)

規(guī)則波中的船舶研究是不規(guī)則波中船舶研究的基礎。除了船舶的無因次頻率響應函數(shù)曲線,還要根據(jù)船舶航區(qū)的特點和氣象條件確定航區(qū)的三一波高和譜心周期,進而計算出相應的譜密度函數(shù),最終才能對實船耐波性進行預報。

第十一屆國際船模水池會議(ITTC)和國際船舶結構會議(ISSC)先后推薦雙參數(shù)波譜,它的一般形式為

(5)

式中:ξωβ為三一平均波高;T1為譜心周期。

雙參數(shù)波譜不僅適用于充分發(fā)展的海浪,還適用于成長中的海浪或含有涌浪成分的海浪。

當船舶以某一航速在規(guī)則波中航行時,波浪對船舶的擾動力頻率為ωe,因此作為輸入的波浪譜密度應以擾動力頻率ωe表示,而不是以自然頻率ω表示。以不同頻率表示譜密度時,遭遇譜下面的總面積與原來波譜下面的總面積應相等,也就是譜密度曲線下的微面積所代表的能量并未發(fā)生變化,因此存在以下關系:

Sξ(ωe)dωe=Sξ(ω)dω

(6)

由式(6)求導可得

(7)

1.4 譜距

對于線性系統(tǒng),不規(guī)則波的隨機擾動輸入和輸出均為譜密度函數(shù),輸出的譜密度等于輸入的譜密度乘以頻率響應幅值算子,其對應關系為

Sy(ω)=Sξ(ω)|Yyξ(ω)|

(8)

譜密度對原點的n階距表示譜密度對原點的分布情況,其表示形式為

(9)

式中:n=0,2,4,…;mn為譜距。

2 系統(tǒng)分析[5-7]

2.1 耐波性預報系統(tǒng)分析

實踐發(fā)現(xiàn),在進行船模拖曳試驗時,可以采用規(guī)則波模型試驗并通過譜分析方法對實船進行耐波性預報。因為規(guī)則波不僅能近似表示涌,還是研究不規(guī)則波的基礎。在實船耐波性預報中,通常使用已測得的波高資料,并選用某一理論分布進行擬合,以便達到外延的目的。利用譜分析法預報實船在不規(guī)則波中的性能,需要對航行海區(qū)的海浪譜密度進行估算。實測一個海區(qū)的海浪譜是相當麻煩的工作,因此海洋工作者和造船工作者根據(jù)大量的海上觀測和理論工作得到了各種海浪譜的表達式。本文耐波性預報系統(tǒng)采用的是ITTC提出的波譜公式。

2.2 系統(tǒng)任務需求分析

一般情況下耐波性預報系統(tǒng)的主要任務是:根據(jù)船模在水中的運動規(guī)律來建立數(shù)學模型,然后利用船模在水中拖曳的試驗數(shù)據(jù)對實船的耐波性進行預報。傳統(tǒng)的實船預報過程采用Excel進行實船預報,預報過程復雜,每次試驗都要建立計算公式,并且多次重復計算同一個公式,界面繁瑣,預報過程麻煩、易出錯。本文系統(tǒng)立足于簡化設計人員的操作過程,提高設計效率,降低出錯率,縮短耐波性預報周期。

2.3 系統(tǒng)原理設計

針對工程計算問題提出可視化輸入輸出的程序化設計思路,初始界面如圖2所示。讀取的文件是txt格式,如圖3所示。輸出界面如圖4所示,保存的文件是txt格式。

圖2 耐波性預報系統(tǒng)的初始界面Fig.2 Initial interface of sea-keeping forecasting system

在圖4的輸出界面中,計算輸出的值有平均阻力、角度雙幅值、升沉雙幅值、艏部加速度雙幅值、舯部加速度雙幅值、艉部加速度雙幅值。在界面截圖時,由于滾動條只能位于一側,因此其余地方看不到。

圖3 耐波性預報系統(tǒng)的讀取文件Fig.3 Read file of sea-keeping forecasting system

圖4 耐波性預報系統(tǒng)的輸出界面Fig.4 Output interface of sea-keeping forecasting system

在保存文件中,保存的是符號說明、輸入變量、計算結果。其中,計算結果包括平均阻力、角度雙幅值、升沉雙幅值、艏部加速度雙幅值、舯部加速度雙幅值、艉部加速度雙幅值。

(1)系統(tǒng)功能分析

預報系統(tǒng)設置的界面為默認初始環(huán)境,因此只需輸入測得的船模試驗數(shù)據(jù),點擊計算按鈕,預報系統(tǒng)會自動輸出并保存實船的耐波性預報數(shù)據(jù)。計算程序均為Windows系統(tǒng)可執(zhí)行程序,滿足推廣應用的要求。

(2)實例驗證

本文分別利用規(guī)則波180°遭遇角與90°遭遇角對耐波性預報系統(tǒng)進行驗證。根據(jù)式(1)～(6)計算得到的結果與系統(tǒng)計算結果進行比較,誤差均在0.3%以內(nèi)。如平均阻力的譜密度公式計算值為0.004 589 387 734 221 46,耐波性預報系統(tǒng)計算值為0.004 6。

誤差來源如下所示:

(1)水的質(zhì)量密度。譜密度公式使用的數(shù)據(jù)為淡水質(zhì)量密度998.1 kg·m-3,海水質(zhì)量密度1 024.7 kg·m-3;耐波性預報系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)為淡水質(zhì)量密度998.144 kg·m-3,海水質(zhì)量密度1 024.742 kg·m-3。預報系統(tǒng)是根據(jù)第十屆ITTC給出的數(shù)據(jù)來擬合的溫度與密度、溫度與黏性系數(shù)的方程。

(2) 圓周率。圓周率譜密度公式計算值為3.141 592 653 589 79,耐波性預報系統(tǒng)計算值為3.141 592 654。

(3)輸出位數(shù)。系統(tǒng)設置的保存位數(shù)是4位小數(shù),而譜密度公式計算值保留位數(shù)隨機。

3 結論

本文分析了實船耐波性預報的一般需求,提出了實船耐波性預報系統(tǒng)的設計思路與系統(tǒng)功能結構。本文的耐波性預報系統(tǒng)具有以下特點:

(1)針對工程計算問題提出可視化輸入輸出的程序化設計思路。

(2)提高工作效率,降低出錯率,縮短產(chǎn)品研制周期。

(3)計算的程序均為Windows系統(tǒng)可執(zhí)行程序,滿足推廣應用要求。

(4)減少了實船耐波性預報時間,簡化了設計人員的操作過程,提高了設計效率。

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