这是我们研究的延续发展的完全非线性、动态一致,数值(DiSSEL)船舶运动模型。在这项研究中我们将报告结果在预测船舶运动在平静的水面操纵不稳定。在不稳定的操纵,舵角,和船前进速度随时间。因此,不仅增加、影响和偏航运动发生,但辊,音高和升沉运动也会发生即使在跟平静的水面,修剪,和下沉。当舵角和船前进速度迅速变化随着时间的推移,船舶六自由度运动和他们的交互变得强大。准确预测不稳定操纵船舶六自由度运动,一个通用方法,任意船体需要基于物理完全非线性船舶运动模型和舵力和时刻。数值模拟将基准测试的实验数据初步DDG51设计和实验船型。基准测试显示一个好的协议由增强DiSSEL数值模拟和实验数据。没有使用经验参数化,除了舵上的螺旋桨气流的影响,它包括使用流加速度的因素。
1。介绍
预测船舶运动不稳定状态下操纵在平静的水面,由于时变角和船前进速度,所有六度——自由必须考虑船舶运动。尤其,当舵角和船前进速度迅速变化随着时间的推移,船舶六自由度运动和运动的不同模式之间的相互作用,以及舵和船舶之间的身体,变得强壮。完全非线性方法来预测6度自由船舶运动是需要的。
电脑功能的增加和先进的计算流量预测方法的发展,用数值方法预测船舶操舵功能已成为可能。例如,林等。<一个href="#B1">1一个>和林和旷<一个href="#B2">2一个>]预测船舶运动在稳态转向圈在静水和海水完全非线性混合流船舶运动模型。洲(<一个href="#B3">3一个>)和El部长(<一个href="#B4">4一个>)使用粘性流的方法来预测舵流和李<一个href="#B5">5一个>),Tamashima et al。<一个href="#B6">6一个>),汉族et al。<一个href="#B7">7一个>),Kinnas et al。<一个href="#B8">8一个>哈克特,et al。<一个href="#B9">9一个>]位势流板使用方法计算舵力和时刻。值得注意的是,Kinnas et al。<一个href="#B8">8一个>)用有限元边界条件改善面板的方法。最近,Hochbaum等人总结了研究预测船舶运动船舶操纵在25日ITTC会议(<一个href="#B10">10一个>]。他们当中的很多人专注于操纵在平静的水面,尤其是那些摇摇晃晃的操纵。这些作品有显著提高的物理理解舵力和时刻。然而,随着sod (<一个href="#B11">11一个>)指出的那样,这些潜在流方法没有考虑粘度、湍流和流动分离。粘性流的方法预测船舶操舵功能在技术上仍然困难,计算量大。因此,尽管潜在的流的局限性,最实用的流问题仍然是解决通过实验数据或位势流计算(<一个href="#B11">11一个>]。
当前的数值预测能力不能满足船舶行业的发展需求。大多数预测方法仍集中在使用观察或经验力量和时间稳定或不稳定的舵把圆圈。船舶运动经常关注飙升,摇摆和偏航运动,由经验公式计算。例如,Altosloe et al。<一个href="#B12">12一个>),Kimoto et al。<一个href="#B13">13一个>片山,et al。<一个href="#B14">14一个>,<一个href="#B15">15一个>)在船舶行业很受欢迎,因为这些方法是准确甚至在平静的水面滑行艇。
尽管这些方法是准确的,他们不适合新的和非传统的船只,经验数据不可用。因此,在[<一个href="#B1">1一个>,<一个href="#B2">2一个>),描述了一个基于物理的方法预测的力量和时间舵稳定在平静的水面和航道。这个新方法时加上一个非线性六自由度船舶运动模型(数字,自洽船实验室,我们可以简单地调用DiSSEL),相关的激增,摇摆和偏航,可以准确地预测。本研究的目标是继续发展一个完全非线性耦合计算系统来准确预测不稳定的船舶运动操纵船舶。即使在平静的水面,由于时变船前进速度和舵角,船舶六自由度运动以及它们的交互作用(船舶运动的不同模式之间以及舵和船舶之间的身体)都变得重要。因此,这些需要一个基于物理模拟,完全非线性的方法。
完全非线性方法的一个例子,水线应该由当地的自由表面高程(船舶波浪及其交互);船的位置是由六自由度船舶运动;这艘船的运动是由湿表面上的力和力矩的船体和船舵,力和力矩是由船和舵的位置,等等。不幸的是,作为一个螺旋桨模型尚未实现DiSSEL,舵上的螺旋桨气流的影响包括经验通过修改有效流入舵速度占的加速度由螺旋桨流。
在下一节中,耦合,完全非线性舵力完全非线性船舶运动模型。部分<一个href="#sec3">3一个>基准测试的数值模拟与实验数据两个船体:合同ddg 51(5514型)和实验船型。结论提供了部分<一个href="#sec4">4一个>。
2。一个完全非线性转向能力和船舶运动模型的预测系统
DiSSEL在时间域是一个混流船舶运动模型:描述了表面波速度势,但流体粘性效应的形式包括波林破坏和分离效果(et al。<一个href="#B1">1一个>林,和旷<一个href="#B2">2一个>,<一个href="#B16">16一个>])。包含的粘性、分离效果使得DiSSEL满足库塔条件后缘,和速度停滞点(<年代vg height="10.975" id="M1" style="vertical-align:-0.22572pt;width:38.612499px;" version="1.1" viewbox="0 0 38.612499 10.975" width="38.612499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
0
),从而允许准确评估升力(林et al。<一个href="#B1">1一个>];林和旷<一个href="#B2">2一个>])。这种混流的方法构建一个坚实的基础的努力扩大在航道船舶操纵的模型。
完全非线性预测系统包括两个组成部分。第一个组件是舵力和时刻的预测,第二个组件是DiSSEL船舶运动模型。在描述两个组件之前,我们将概述的方法准确地预测流动分离影响的势流理论提出了林和旷<一个href="#B16">16一个>]。
2.1。“屏蔽理论”在潜在的流
兰道,谨言<一个href="#B17">17一个>)指出,流传递一个对象使其总压强变化。然而,根据位势流理论,其总压力不会改变。正确计算净压力舵的关键问题准确预测指导能力。林和旷<一个href="#B16">16一个>)提出了一个“屏蔽理论”,并建议总失去压力由于分离获得的对象可以通过集成的压力“位势流的影响区”。“影响区”可能被称为阻塞区域或区域分开。当流传递一个对象,没有粘度和动荡,压力<年代vg height="16.174999" id="M2" style="vertical-align:-4.68874pt;width:22.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 22.125 16.174999" width="22.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
。粘度和湍流时,压力<年代vg height="16.174999" id="M3" style="vertical-align:-4.68874pt;width:22.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 22.125 16.174999" width="22.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
将会改变<年代vg height="19.762501" id="M4" style="vertical-align:-5.78201pt;width:22.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 22.125 19.762501" width="22.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
在物体表面,<年代vg height="19.762501" id="M5" style="vertical-align:-5.78201pt;width:63.525002px;" version="1.1" viewbox="0 0 63.525002 19.762501" width="63.525002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
<
(
)
。这是分离的效果。如果物体的表面积Ar,然后总在对象是流体动力<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq1">
一个
r
′
(
)
,
(
1
)
在哪里<年代vg height="7.5124998" id="M7" style="vertical-align:-0.0pt;width:8.8125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.8125 7.5124998" width="8.8125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是对象的法向量。对于一个潜在的流,<年代vg height="16.174999" id="M8" style="vertical-align:-4.68874pt;width:22.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 22.125 16.174999" width="22.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
计算而不是<年代vg height="19.762501" id="M9" style="vertical-align:-5.78201pt;width:22.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 22.125 19.762501" width="22.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
)
。为了获得准确的总压力,可以减少物体表面积Ar Ar−Ae。然后总水动力力对象将会是:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq2">
一个
r
−
一个
e
(
)
≈
一个
r
′
(
)
;
(
2
)
一个
e
是受影响的区域,它是一个函数对象的旋转运动角度、波的频率,自然频率,和等待波振幅的函数。在平静的水面,<年代vg height="10.8125" id="M12" style="vertical-align:-0.12538pt;width:18.1px;" version="1.1" viewbox="0 0 18.1 10.8125" width="18.1" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
e
仅仅是一个函数对象的旋转运动角度和自然频率。
总分离效应,使流体动力减少对象可以获得潜在的流:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq3">
年代
e
p
一个
r
一个
t
我
o
n
- - - - - -
e
ff
e
c
t
=
−
一个
e
(
)
。
(
3
)
分离影响的对象<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq4">
年代
e
p
一个
r
一个
t
我
o
n
- - - - - -
e
ff
e
c
t
=
−
一个
e
×
(
)
,
(
4
)
在哪里<年代vg height="7.5124998" id="M15" style="vertical-align:-0.0pt;width:8px;" version="1.1" viewbox="0 0 8 7.5124998" width="8" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
旋转臂对象的向量。“屏蔽理论”已经被测试与实验数据<一个href="#B16">16一个>];它可以准确地估计舭龙骨辊阻尼,T-foil间距和滚转阻尼和升力稳定转圈子。更多细节在林和旷<一个href="#B16">16一个>]。
2.2。在舵预测力和力矩
有效的力和力矩的船舵船坐标系可以表示为<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq5">
r
u
d
d
e
r
=
一个
0
−
一个
0
e
r
u
d
d
e
r
(
)
=
+
+
+
c
o
r
我
o
l
我
年代
,
r
u
d
d
e
r
=
一个
0
−
一个
0
e
×
r
u
d
d
e
r
(
)
+
−
×
c
o
r
我
o
l
我
年代
=
Γ
+
Γ
+
Γ
+
−
×
c
o
r
我
o
l
我
年代
,
(
5
)
一个<年代ub>0年代ub>舵和总表面积吗<年代vg height="14.725" id="M17" style="vertical-align:-3.25793pt;width:22.362499px;" version="1.1" viewbox="0 0 22.362499 14.725" width="22.362499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
0
e
是“影响区”的舵。舵角,<年代vg height="10.7375" id="M18" style="vertical-align:-0.13794pt;width:7.9875002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9875002 10.7375" width="7.9875002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
随时间作为指定的输入数据,和<年代vg height="14.7125" id="M19" style="vertical-align:-3.2316pt;width:17.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.875 14.7125" width="17.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Ω
舵的角速度是在船协调。<年代vg height="14.3875" id="M20" style="vertical-align:-3.25793pt;width:28.237499px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.237499 14.3875" width="28.237499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
垂直起降部队船舵和吗<年代vg height="7.5124998" id="M21" style="vertical-align:-0.0pt;width:8px;" version="1.1" viewbox="0 0 8 7.5124998" width="8" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
旋转<年代vg height="0.125" id="M22" style="vertical-align:-0.0pt;width:5.3375001px;" version="1.1" viewbox="0 0 5.3375001 0.125" width="5.3375001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
手臂向量,<年代vg height="11.3625" id="M23" style="vertical-align:-3.2316pt;width:52.025002px;" version="1.1" viewbox="0 0 52.025002 11.3625" width="52.025002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
,
这三个组件ship-fixed单位向量的坐标,x C年代ub> 是圆的中心位置矢量的切线点x 在船上的轨迹<年代vg height="11.425" id="M24" style="vertical-align:-3.13504pt;width:13.9px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.9 11.425" width="13.9" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
舵表面法向量。<年代vg height="14.7125" id="M25" style="vertical-align:-3.22281pt;width:61.337502px;" version="1.1" viewbox="0 0 61.337502 14.7125" width="61.337502" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
r
u
d
d
e
r
(
)
是一个舵的湿表面的压力;<年代vg height="14.7125" id="M26" style="vertical-align:-3.22281pt;width:39.112499px;" version="1.1" viewbox="0 0 39.112499 14.7125" width="39.112499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
r
u
d
d
e
r
在舵力,<年代vg height="14.7125" id="M27" style="vertical-align:-3.22281pt;width:43.325001px;" version="1.1" viewbox="0 0 43.325001 14.7125" width="43.325001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
c
o
r
我
o
l
我
年代
是有效的科里奥利力由于舵角,<我>δ我>不同的船坐标系和=<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq7">
C
o
r
我
o
l
我
年代
=
一个
0
2
×
+
×
+
×
×
,
(
6
)
有效流入舵速度是来自船前进速度和螺旋桨气流加速流动。DiSSEL没有螺旋桨模型,所以速度到舵包括螺旋桨经验被定义为的影响<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq8">
=
1
。
6
。
(
7
)
船的速度矢量。的<年代vg height="14.8375" id="M31" style="vertical-align:-3.2316pt;width:32.5px;" version="1.1" viewbox="0 0 32.5 14.8375" width="32.5" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
。
6
近似是一个合理的估计与弗劳德数海军舰艇螺旋桨设计在0.2和0.4之间,速度(基于年轻的沈博士建议,2008)。对于其他类型的血管,加速螺旋桨的流可能会有所不同。在这些情况下有效流入舵速度应该从动量守恒计算基于用户指定的螺旋桨直径和推力系数。
关于船舶重心的偏航力矩产生的舵通过适当的力臂,<年代vg height="11.075" id="M32" style="vertical-align:-3.25793pt;width:12.6px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.6 11.075" width="12.6" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
3
,<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq9">
=
一个
0
−
一个
0
e
3
×
r
u
d
d
e
r
(
)
,
(
8
)
在哪里<年代vg height="11.075" id="M34" style="vertical-align:-3.25793pt;width:77.625px;" version="1.1" viewbox="0 0 77.625 11.075" width="77.625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
3
=
−
,<年代vg height="12.925" id="M35" style="vertical-align:-4.74141pt;width:55.224998px;" version="1.1" viewbox="0 0 55.224998 12.925" width="55.224998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
,
舵表面法向量的三个组件。
计算力和时刻船舵,DiSSEL使用身体完全集成通过有限元/有限差分法。力量和时间后舵了,他们被添加到刚体的平移和旋转运动方程在DiSSEL船舶运动。计算转换和旋转运动的船将在下一节中讨论。
2.3。DiSSEL船舶运动模型
DiSSEL包括两个子。第一个被是模拟船行波的相互作用,计算船舶绕流包括自由水面的影响,船体上的压力分布,水动力部队在船上。第二个被是刚体运动组件,它使用的力量计算船行波的相互作用被预测船舶六自由度运动通过求解时域运动方程。包括舵力和力矩作为单独的力量和时刻的刚体运动被代码。
力量和时间计算船体和所有附件,DiSSEL使用身体完全集成通过有限元/有限差分法。在每个时间步,基于船舶水线位置和自由表面高程的定义。使用三坐标系统:固地参考系,正直的ship-fixed参考系,ship-fixed坐标系统。除了地球坐标和入射波的船舶跟踪船参考系,所有模拟都在船上坐标系统。船参考系的定义和它的起源在平均自由表面和总水平平移速度移动。
远场,DiSSEL采用伪谱方法。在每个时间步,通过船边界条件,刚体运动模型给出了船船行波运动信息交互模型,和船行波的相互作用模型计算压力传递回刚体运动模型。有限元/有限差分方法交流信息的伪谱通过搭配点伪谱方法。伪谱模式和搭配点使用快速傅里叶变换来交换信息。这种方法非常准确和高效。收敛速度是<我>N我>日志<我>N我>而不是<我>N<年代up>2年代up>,在那里<我>N我>是未知变量的数量;林等描述的细节。<一个href="#B18">18一个>]。在当前的工作,<年代vg height="11.3625" id="M36" style="vertical-align:-3.2316pt;width:14.25px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.25 11.3625" width="14.25" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是船前进速度和输入数据,然后呢<年代vg height="11.3625" id="M37" style="vertical-align:-3.2316pt;width:13.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.375 11.3625" width="13.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
船舶重心的平移速度(<年代vg height="11.35" id="M38" style="vertical-align:-3.22282pt;width:14.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.875 11.35" width="14.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
ℎ
水平分量的向量平移速度),在每个时间步长计算程序。
另一个注意应该用于DiSSEL参考系的定义。在林和旷<一个href="#B1">1一个>),两个额外的参考框架介绍:这艘船参考系(SRF)和模型参考系(MRF)。后者是定义为参考系水平移动与船的质量中心,但平均自由表面上的起源。船演习在航道时,跟踪方向可以改变。但MRF并不改变其方向。因此,从这个方向旋转效应变化需要正确地占。参考框架的细节,我们参考读者林和旷<一个href="#B1">1一个>]。
2.3.1。船行波交互模型
船行波的相互作用被计算在流体领域的深度<我>H我>、宽度<年代vg height="10.325" id="M39" style="vertical-align:-0.0pt;width:12.7px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.7 10.325" width="12.7" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,长度<年代vg height="10.325" id="M40" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.1875 10.325" width="11.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。除了自由表面和海底边界,所有其他的边界是开放的,它允许流体通过这些面孔进出。这样的边界不仅允许使用一个小的计算域,但也增加了准确性。
假设流体是不可压缩的,<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq10">
∇
2
≡
∇
2
ℎ
+
2
2
=
0
f
o
r
−
≤
≤
,
(
9
)
在哪里<年代vg height="9.875" id="M42" style="vertical-align:-2.29482pt;width:10.5375px;" version="1.1" viewbox="0 0 10.5375 9.875" width="10.5375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
速度势,<年代vg height="9.875" id="M43" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.9375px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9375 9.875" width="7.9375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
自由液面高度,<年代vg height="10.325" id="M44" style="vertical-align:-0.0pt;width:15.175px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.175 10.325" width="15.175" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是水的深度。
动态参数和运动在自由表面边界条件,<我>z我>=<年代vg height="9.875" id="M45" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.9375px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9375 9.875" width="7.9375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,都是<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq11">
+
1
2
∇
+
+
ℎ
+
∇
+
+
+
ℎ
⋅
∗
−
∇
2
ℎ
=
0
,
(
1
0
)
+
∇
ℎ
⋅
∇
ℎ
+
+
ℎ
=
,
(
1
1
)
在哪里<年代vg height="11.3625" id="M48" style="vertical-align:-3.2316pt;width:13.65px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.65 11.3625" width="13.65" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
响应平移运动和船吗<年代vg height="11.35" id="M49" style="vertical-align:-3.22282pt;width:14.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.875 11.35" width="14.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
ℎ
是它的水平分量(飙升和影响),<我>p我>的压力,<我>ρ我> 是流体密度,<我>ν我> 是运动粘度,这代表着波浪效果,然后呢x * 的位置向量空间中的一个点。纯粹的潜流,粘性耗散(<一个href="#EEq11">10一个>)就消失了。上述方程解决了令人费解的底部边界条件,<我>z =−H,我>
=
0
,
(
1
2
)
船体:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq14">
⋅
∇
+
=
0
,
(
1
3
)
在一个点<年代vg height="13.2375" id="M52" style="vertical-align:-4.74141pt;width:13.9125px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.9125 13.2375" width="13.9125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
在船体表面:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq15">
=
+
+
×
−
,
(
1
4
)
在哪里<年代vg height="13.2375" id="M54" style="vertical-align:-4.74141pt;width:13.9125px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.9125 13.2375" width="13.9125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是一个点的位置,<我>p我>在船上,表面和<年代vg height="11.3625" id="M55" style="vertical-align:-3.2316pt;width:13.65px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.65 11.3625" width="13.65" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(<年代vg height="11.1875" id="M56" style="vertical-align:-3.2316pt;width:54.424999px;" version="1.1" viewbox="0 0 54.424999 11.1875" width="54.424999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
,
)是ship-fixed的重心坐标系统。这艘船的边界条件是:
2.3.2。刚体运动模型
在本节中,运动的基本方程并给出了刚性船体。运动和力量在船中定义坐标系原点在船的重心。积极的<年代vg height="11.3625" id="M57" style="vertical-align:-3.2316pt;width:13.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.375 11.3625" width="13.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是走向船头,积极<年代vg height="11.3625" id="M58" style="vertical-align:-3.2316pt;width:13.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.375 11.3625" width="13.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是港,和积极的吗<年代vg height="11.3625" id="M59" style="vertical-align:-3.2316pt;width:12.5px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.5 11.3625" width="12.5" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是向上的。起源是在船的重心。因此,在DiSSEL [<一个href="#B19">19一个>刚体运动模型,船平移运动表示的磁流变液<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq16">
年代
h
我
p
+
t
r
一个
n
年代
=
年代
h
我
p
+
r
u
d
d
e
r
,
(
1
5
)
在哪里<年代vg height="13.3" id="M61" style="vertical-align:-5.03984pt;width:30.075001px;" version="1.1" viewbox="0 0 30.075001 13.3" width="30.075001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
年代
h
我
p
船总质量,<年代vg height="16.975" id="M62" style="vertical-align:-5.03984pt;width:28.5375px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.5375 16.975" width="28.5375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
年代
h
我
p
包括浮力恢复力量,<年代vg height="20.9625" id="M63" style="vertical-align:-6.69617pt;width:28.5375px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.5375 20.9625" width="28.5375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
年代
h
我
p
流体压力的力量,<年代vg height="20.924999" id="M64" style="vertical-align:-6.69617pt;width:28.5375px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.5375 20.924999" width="28.5375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
年代
h
我
p
,在船体,<年代vg height="14.35" id="M65" style="vertical-align:-3.22282pt;width:38.012501px;" version="1.1" viewbox="0 0 38.012501 14.35" width="38.012501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
t
r
一个
n
年代
是翻译的耗散运动由于波浪。增兵,摇摆,委屈可以获得的(<一个href="#EEq16">15一个>)。
刚体旋转是由船参考系中定义的刘维尔方程:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq17">
⋅
+
×
(
⋅
)
+
r
o
t
一个
t
=
年代
h
我
p
+
r
u
d
d
e
r
+
(
1
)
,
(
1
6
)
在哪里<年代vg height="10.6875" id="M67" style="vertical-align:-0.0pt;width:6.1999998px;" version="1.1" viewbox="0 0 6.1999998 10.6875" width="6.1999998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是惯性质量时刻向量关于船的重心,<年代vg height="16.174999" id="M68" style="vertical-align:-4.68874pt;width:25.075001px;" version="1.1" viewbox="0 0 25.075001 16.174999" width="25.075001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
,
)
是关于船舶重心的转动惯量在吗<年代vg height="9.9250002" id="M69" style="vertical-align:-0.13794pt;width:4.9875002px;" version="1.1" viewbox="0 0 4.9875002 9.9250002" width="4.9875002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
th方向,<年代vg height="10.6875" id="M70" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.75px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.75 10.6875" width="11.75" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Ω
是旋转角速度响应向量(横滚、俯仰和偏航)。<年代vg height="16.75" id="M71" style="vertical-align:-5.03984pt;width:28.1625px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.1625 16.75" width="28.1625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Γ
年代
h
我
p
是在船上的那一刻,它包括浮力恢复力矩,<年代vg height="20.9625" id="M72" style="vertical-align:-6.69617pt;width:28.1625px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.1625 20.9625" width="28.1625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Γ
年代
h
我
p
和流体压力的时刻,<年代vg height="20.924999" id="M73" style="vertical-align:-6.69617pt;width:28.1625px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.1625 20.924999" width="28.1625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Γ
年代
h
我
p
在船体和滚转力矩<年代vg height="16.3125" id="M74" style="vertical-align:-4.68874pt;width:27.2125px;" version="1.1" viewbox="0 0 27.2125 16.3125" width="27.2125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Γ
(
1
)
,由于船速变化的方向,和<年代vg height="14.35" id="M75" style="vertical-align:-3.22281pt;width:33.099998px;" version="1.1" viewbox="0 0 33.099998 14.35" width="33.099998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
r
o
t
一个
t
旋转运动的耗散是由于波浪和舭龙骨。这艘船的力量<年代vg height="20.924999" id="M76" style="vertical-align:-6.69617pt;width:28.5375px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.5375 20.924999" width="28.5375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
年代
h
我
p
和时刻<年代vg height="20.924999" id="M77" style="vertical-align:-6.69617pt;width:28.1625px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.1625 20.924999" width="28.1625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Γ
年代
h
我
p
计算了积分乘以杠杆臂的压力和压力在船潮湿表面法向量坐标,分别。的细节<一个href="#B18">18一个>- - - - - -<一个href="#B20">20.一个>]。
一个额外的滚转力矩作用于船舶回转运动的结果。这额外的滚转力矩关于船重心可以计算<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq18">
(
1
)
=
年代
h
我
p
1
+
1
/
2
+
2
/
2
≈
年代
h
我
p
1
+
1
/
2
+
2
/
2
+
1
/
2
+
2
/
2
/
∗
=
/
,
年代
h
我
p
1
+
1
/
2
+
2
/
2
∗
/
,
(
1
7
)
在哪里<年代vg height="14.7125" id="M79" style="vertical-align:-3.13504pt;width:70.925003px;" version="1.1" viewbox="0 0 70.925003 14.7125" width="70.925003" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
一个
n
d
2
船移动距离是由于和摇摆动作,分别。<年代vg height="10.325" id="M80" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.6875px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.6875 10.325" width="11.6875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
转弯半径和卷力臂是吗<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="eq1">
1
=
−
×
⋅
,
(
1
8
)
在哪里<年代vg height="13.2375" id="M82" style="vertical-align:-4.74141pt;width:13.9125px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.9125 13.2375" width="13.9125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是船的位置点的表面。横滚、俯仰和偏航时刻可以通过(<一个href="#EEq17">16一个>)和(<一个href="#EEq18">17一个>)。偏航角,<我>β我>,是船舶之间的角度在水平面纬度和船的纵轴。偏航角计算:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq19">
=
t
一个
n
−
1
2
+
1
。
(
1
9
)
“总航向角”,<年代vg height="11.7875" id="M84" style="vertical-align:-0.13794pt;width:14.6625px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.6625 11.7875" width="14.6625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
∗
,是<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq20">
∗
=
3
+
,
(
2
0
)
在哪里<年代vg height="10.7375" id="M86" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是旋转角矢量的船吗<年代vg height="14.5875" id="M87" style="vertical-align:-3.2316pt;width:11.7125px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.7125 14.5875" width="11.7125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是一个旋转角度的船<年代vg height="9.9250002" id="M88" style="vertical-align:-0.13794pt;width:4.9875002px;" version="1.1" viewbox="0 0 4.9875002 9.9250002" width="4.9875002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
方向。船舶跟踪地球定点坐标系统被定义为<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="eq2">
t
r
一个
c
k
=
t
r
一个
c
k
̂
+
t
r
一个
c
k
̂
,
(
2
1
)
在哪里<年代vg height="14.0375" id="M90" style="vertical-align:-2.5707pt;width:36.650002px;" version="1.1" viewbox="0 0 36.650002 14.0375" width="36.650002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
̂
̂
̂
,
,
在地球定点向量坐标系统,在每个时间步长计算和跟踪以下方程:<年代p一个ncl一个年代年代="equation" id="EEq21">
t
r
一个
c
k
(
年代
t
e
p
)
=
t
r
一个
c
k
(
年代
t
e
p
−
1
)
+
1
(
年代
t
e
p
)
+
(
年代
t
e
p
)
+
1
c
o
年代
3
(
年代
t
e
p
)
−
2
年代
我
n
3
(
年代
t
e
p
)
(
年代
t
e
p
)
,
t
r
一个
c
k
(
年代
t
e
p
)
=
t
r
一个
c
k
(
年代
t
e
p
−
1
)
+
2
(
年代
t
e
p
)
+
(
年代
t
e
p
)
+
1
年代
我
n
3
(
年代
t
e
p
)
+
2
c
o
年代
3
(
年代
t
e
p
)
(
年代
t
e
p
)
。
(
2
2
)
3所示。基准测试
在[<一个href="#B1">1一个>),基准测试的预测和影响力量,和偏航力矩,以及力量来源于增兵,摇摆和偏航运动,实验数据提前DDG51稳定圈在平静的水面。在平静的水面稳定转圈子,只有增兵,摇摆,偏航,跟运动是重要的。然而,对于不稳定的机动情况下,即使在平静的水面,所有六个自由度的运动是重要的。因此,在这项研究中我们将关注预测船舶运动的比较(浪潮,影响偏航、辊和俯仰运动)与实验数据。升沉运动将不会显示,因为胀不测量实验。本研究提出的耦合计算系统完全是非线性的。船舶六自由度运动相互作用。如果测试表明,该预测五自由度船舶运动(除了升沉运动)与实验数据吻合较好,预测升沉运动将会同意实验数据,因为球场上运动的升沉运动密切相关。基准比较包括合同前期DDG51和实验船型。这艘船的特点初步描述了DDG51 (<一个href="#B1">1一个>),实验船型是一个专有的船型,和我们不能讨论其特征。在接下来的比较,4例为每个船体是随机选择的。舵角和船前进速度的时间序列的输入数据模拟和数字所示(a)和(b),每一次的分别。船的对比追踪,横滚和俯仰运动之间的模拟结果和数据所示数据(c)和(d),分别为每个案件。
3.1。合同DDG51
在本节中,我们为DDG51比较仿真结果与实验数据。输入数据时间序列的舵角和船前进速度和输出是船舶六自由度运动。我们有基准测试所有的测试用例,但在下面,我们随机选择四个案例展示(数据<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig1/" target="_blank">1一个>,<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig2/" target="_blank">2一个>,<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig3/" target="_blank">3一个>,<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig4/" target="_blank">4一个>)。所有四个案例表明,模拟船舶运动(飙升,摇摆,辊、音高和偏航运动)与实验数据有很好的协议DDG51草签的合同。好协议在飙升,摇摆和偏航,可以观察到在船上。没有任何的升沉运动在这些测试数据;因此,我们不能基准的升沉运动模拟。然而,六自由度运动相互交互,特别是沥青和起伏,如果五自由度船舶运动是准确地预测,那么升沉运动应该准确地预测。
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
3.2。实验船型
为了测试通用完全非线性预测功能,我们将比较模拟和实验船船体运动数据不同。研究不同的船体,我们没有改变任何参数在计算系统中,除了船和舵特点(船,船长度、船剖面,舵面积,等等),和时间序列的舵角和船前进速度。对于实验船型,我们随机选择4例作为显示在图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig5/" target="_blank">5一个>,<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig6/" target="_blank">6一个>,<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig7/" target="_blank">7一个>,<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/468029/fig8/" target="_blank">8一个>。测量船舶速度提前DDG51和实验获得的船型是区分<我>x - y我>跟踪时间对历史时间。这艘船的速度获得合同前期DDG51显示出更高的频率波动,这可能是真实的或测量中的错误追踪的结果。DDG51草签的合同,原过滤速度数据。然而,实验船型的船舶速度测量显示更大的和不切实际的波动;例如,许多大型的速度远远超过最大船速。因此,在本节中,我们做一些修正测量船舶速度,通过运行的平均速度在60秒。
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
(一)年代trong>
(b)年代trong>
(c)年代trong>
(d)年代trong>
船舶运动的比较实验的数值模拟和实验数据之间的船型都一样DDG51草签的合同在所有的情况下,由于新方法是自洽和数值解满足原始方程和边界条件。
4所示。结论
一个基于物理和自我一致,完全非线性计算预测船舶操舵系统的功能以及船舶六自由度运动已被提出。船舶六自由度运动和他们的相互作用计算从原始方程和边界条件;不涉及其他经验参数,除了实证函数用于舵上的螺旋桨气流的影响,它包括使用流加速度的因素。船舶运动的数值模拟(升沉运动,因为没有实验数据没有显示)两个完全不同的船体的新方法合理同意实验数据在平静的水面舰艇摇摆地操纵。
确认
作者要感谢特里阿普尔比连锁餐厅,耐波性部门负责人NSWCCD,因为他的许多有用的评论和建议。他们也要感谢耐波性部门NSWCCD提供实验数据用于本文所示的相关性。最后他们要感谢杨医生t .沈许多有用的建议。这项工作是由海军水面作战中心独立实验室内部研究(梅)项目管理博士约翰Barkyoumb。