零航速下变鳍型减摇鳍升力模型研究

零航速下变鳍 型减 摇鳍 升 力模 型研 究
金鸿章 ，王龙金
（ 尔滨工程 大学 船 舶控 制工程教 育部 工程研 究 中心 ，黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ） 哈 ５ ０ １
摘
要
升力数值 的大小 直接 影响零航速 下船舶减摇效果 。 为产 生足够 升力实现船舶在零航速 下的有效减 摇， 出 提 了 于变形鳍 的零航速减摇鳍设计方法 。 于势流 理论 和旋 涡作用 力理论 对变鳍型减 摇鳍在零航速 下升力进行 基 基 分析 ， 给出 了升力解析表达 式。 通过计算流体 力学软件 Ｆｕｎ对 变鳍型减摇鳍进行升力数值计算。 ｌ ｔ ｅ 最后将 Ｆ ｅｔ ｌｎ ｕ
０ 引 言
随着海 洋 工程 的发 展， 在零 航速 下作 业 的船舶 越来 越 多 ，零 航速 下船 舶减 摇 已成 为一个 迫切 需 需要
要解 决 的 问题 摆在 船舶 控制 工程 师面 前 。 目前 由荷 兰 Ｍａｉｍｅ 究 院、 ｏ ｐ ａ ｔ ｒｉ 研 ｔ Ｋ ｏ Ｎ ｕｉ 司和 美 国 Ｑｕ ｎ ｍ ｃ公 ａｔ ｕ Ｃ ｎｒｌ 司联 合进 行 了零航 速 减摇 系 统 的研 究 ｌ，且 已经 装船 应用 。哈尔 滨工 程大 学也 对零 航速 减 ｏ ｔ ｓ公 ｏ ｌ Ｊ
计 算结果 与解析表达 式结果对 比，升力值基本吻合 ，验证 了该种升力分析方法 的正确性 ，为零航速 下减摇鳍 的
设计提供 了理论支持 。
关 键 词 ：船舶、舰船性能；船舶减摇；变形鳍；零航速；升力分析；Ｆ ｅｔ ｌｎ ｕ
中 图 分 类 号 ：Ｕ ６． ６４ ２ ７
文献标 识码 ：Ａ
面 按 图 １ａ、（） （） ｂ两种 方式 打转产 生 的升力 是相 同 的， 因此 本文 只对鳍 面 按 图 ｌ ） （ Ｉ作 方式 转动产 生 的 ａ
升 力进行 分析 ，从而 得 到基于 变形鳍 理 论 的零 航速 减摇 鳍升 力模 型 。 在 工作 过程 中角速 度传 感 器会 实 时地检 测船 舶 的横摇 状态 ，根 据 船舶 的横 摇状 态 ，鳍面 变形 控制 器 和鳍 面转 动控 制器 将采 用相 应 的控制 策 略 ，使 鳍 面按 要求 的方 式工 作 ，从而 产 生相应 的升力进 行有
摇鳍 系统进 行 了研 究 ， 出 了基 于 ｗ＿ ． ｇ 构和单 翼 拍动 工作 方式 的两种 设计 方 案 ，并对鳍 在零 航 提 ｅ ｆ ｈ机 ｉ ｏ ｓ
速 下 升力产 生机 理进 行 了研 究 Ｊ 。
作为 一种 新 型 的鳍型 设计 方法 变 拱度 鳍 型 已经 在 航 空领 域 内得到 了应 用 。所 谓 的变拱 度鳍 型是 指 在 工 作 时根据 控制 需 要改 变鳍 型 形状 ， 以达 到增加 升 力和 简化 操 作 的 目的 。在 飞机 需要 较 大控制 力 时
效Leabharlann Baidu 摇 。
２ 变 鳍 型 减 摇鳍 升 力 分 析
实际流 体环 境 中 ，当变鳍 型减 摇鳍 绕 鳍轴 转动 时会 在鳍 面 周 围引起 旋涡 ，这 时无 法完 全用 势流 理 论 进行 分析 ，为此可 以将 减摇 鳍 的受 力 问题 分 为理 想流 体和 粘性 流 体 中的受 力进 行分 析 ，叠加 后得 到 零 航速 下实 际流体 环境 中减 摇鳍绕 鳍轴 主动 拍水 时产 生 的升 力解 析表 达式 【。 ４ Ｊ
５ １卷
第 ２期 （ 第 １０期 ） 总 ９
中
国
造
船
Ｖ １ Ｎｏ Ｓ ｒ ｌ ． ９ ） ｏ．１ ５ ． ｅｉ １ ０ ２（ ａ Ｎｏ
Ｊｎ ． ０ ０ ｕｅ２ １
２１ ０ ０年 ６月
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８ ２（００ ０ —０ １０ ０ ０４ ８ ２ １） ２０ ０ —９
收稿 日期 ：２ ０．２２ ；修改 稿收 稿 日期 ：２ １． 一５ ０ ８１．６ ０ ０叭 ２
基金 项 目： 家 自然 科 学基金 资助 项 目（ ０７０ ８ ， 国 ５５ ５４ ） 国家 自然 科学 基金 资助 项 目（０ ７０ ２ ， ５８ ９ １ ） 黑龙江 省 博士后 经 费资助 项 目（ Ｂ Ｚ ５５ ） Ｌ Ｈ—００ ２
采 用 同时打转 鳍面 和 鳍面 变形 两种 方法 进 行机 体姿 态 控制 ，在 需 要较 小控 制力 时 可 以通 过 改变鳍 面 拱 度 产 生升力 进行 机体 姿态 控制 ，改变鳍 型 拱度增 加 了鳍面 升 力容量 ，提 高 了机体 的可 操控 性 【。 ｊ Ｊ 零 航速 减摇 鳍 系统 能 否进行 有 效减 摇很 大程 度 上取 决 于鳍 面 能否产 生足 够 升力 。为实现 船舶 在零 航 速 下 的高效 减摇 ，本 文将 变 鳍型 理论 引 入到 零航 速减 摇鳍 系 统 设计 中 ，并对 零航 速下 变鳍 型减 摇鳍
中
国
造
船
学 术论文
的介 绍，本文 将 介绍变 鳍型 零航速 减摇 鳍工 作模 式 ，如 图 ｌ 所示 。
＼ 转动角速度 ０ ９
＼ 转动角速度 ｇ Ｏ
（） ａ
（） ｂ
图 １ 变 鳍型零航速减摇鳍工作模式
当鳍面 向下 拍打 时鳍面 拱度 方 向如 图 １ａ所示 ， （） 当鳍面 向上 拍打 时鳍 面拱 度方 向如 图 １ｂ所示 。 （） 鳍 面形状 的改 变可 以通过 可变形 材 料来实 现 。这种 变形 方式 已经在 机 翼设计 中得 到应用 。 本 文对 基于 这种 设计 方法 的减 摇鳍 转动 时产 生 的升 力进 行分 析 。在忽 略流 体 重力 的情 况下认 为鳍
水 动 力进行 分 析 ，建立 了该鳍 面转 动 时升 力 的解析 表达 式 。基 于该 种 设计 方案 设计 的零 航速 减摇 鳍 工
作 时 ，鳍面 根据 需要 改变鳍 型 ，并绕 鳍 轴 以不 同的角 速度 转动 来产 生所 需 的升力 进行 有效减 摇 。
１ 变鳍型减摇鳍工作模式
文 献 ［】 基 于 Ｗ＿ｓ ｏ ｈ机 构和 单 翼 拍动 工 作 方式 设计 的零 航速 减 摇鳍 的工作 模 式进 行 了详 细 ２对 ｅ．ｇ ｉｆ