喷水推进器推力矢量与运转参数对应关系研究开题报告
2020-02-18 19:32:28
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1.目的及意义（含国内外研究现状） 与常见的螺旋桨推进方式不同，喷水推进的原理是通过推进水泵喷出的水流的反作用力来获得推力，并通过控制机构改变喷流的方向来实现船舶的操纵。推力的大小等于流体在流经推进器流道时单位时间内的动量变化量。喷水推进装置上的推力可定义为与水接触的所有推进装置内表面上的压力和剪切应力在喷口面积矢量相反方向上的合力。这些表面包括进口管道、叶轮、叶轮轴套和喷口。虽然喷水推进专利的发明比螺旋桨还要早19年，但直到上世纪60年代之后这种特种推进技术才开始被重点研究[1]，近30年得到了巨大的发展。随着20世纪后期TSL（Techno Super Liner）船、SES（Surface Effect Ship）船、水翼艇以及高速渡轮等高性能船舶为代表的水上运输高速化的发展，喷水推进系统优越的抗空泡特性等水力性能以及结构特性使其适用及需求范围越来越广，发展势头迅猛，因此对喷水推进器的深入研究是十分必要的。 喷水推进器动力装置一般由发动机及传动装置、推进水泵、流道、转向机构和倒车斗等组成。相对于螺旋桨推进，喷水推进具有高航速时推进效率高、机动性和操纵性好、适应变工况能力强、附体阻力小、吃水浅、水下声辐射小等优点。 喷水推进在高速、高性能船舶、两栖车辆和水下机器人上得到了越来越多的应用，在发达国家的应用已较多。例如挪威Brdrene AA船厂[2]正在建造的两艘客轮就采用了Kamewa喷水推进器。美国的快船公司在横渡大西洋的高速定期货船上采用喷水推进，并委托英国罗-罗（Rolls-Royce）公司开发喷水推进装置。近年来，世界各国的军事实力基本上都处于转型中，为了满足各种新的作战需求，对海上战斗力提出了更严格的要求，例如军用船舶要具有更高的航速、更优的操纵性、优异的隐身性、高度自动化控制等。而喷水推进装置具有以上这些优点，因此国内外的高速后勤运输补给舰、高速登陆艇、高速攻击艇、濒海战斗舰艇、护卫舰等军用舰艇上较多地采用了喷水推进装置来作为动力推进方式。喷水推进装置逐渐的从中小型向大型化、高效化、高速化发展。 船舶在高速发展的过程中对船舶的控制系统提出了越来越高的要求，船舶推进控制系统越来越自动化、智能化。喷水推进船舶也按着这个趋势发展。目前国内外对喷水推进器的控制系统及矢量控制方法方面的研究有较大的需求。国外的MJP公司、Kamewa公司、Wartsila公司、Hamilton公司等著名的喷水推进器制造商针对不同的喷水推进产品，相应地研发设计了配套的矢量控制系统。在国内，胡德生、丁江明等[3]为实现喷水推进艇平移机动操纵，提出了一种用双手柄同步等角度调节的平移操纵方法，可为矢量控制研究提供操纵策略方面的参考。谢笑颖等[4]分析总结了基于喷水推进器的单手柄操作系统的关键技术，并提出了一种适用于喷水推进器的级联广义逆组合偏置的控制策略。吴恭兴、邹劲等[5]针对欠驱动无人艇开展了其基础运动控制策略设计的研究。龚征华等[6]对某船舶推进操舵机构进行了建模，并且提出了一种左右操舵机构运动同步控制策略。徐梓京等[7]针对海浪干扰下的喷水推进船舶矢量控制策略进行了研究，提出了一种有效的矢量控制策略。王雨凡等[8]通过对两台喷水推进装置主机转速及操舵角度和倒航斗角度的异步协调控制，研究了特定形式的船体运动(如固定艏向平移运动及固定船首指向横向运动)的矢量控制实现技术。这些研究为喷水推进船艇运动的矢量控制技术的进步进行了有益的探索。 所谓喷水推进船舶的矢量控制系统即指：仅通过手柄进行简单操作发出船舶操纵指令，由系统内部算法根据指令准确、高效地得到合理的运转参数组合，并有效、迅速地控制喷水推进系统各机构（泵、转向机构、倒车斗等）发出船舶所需的推力、力矩等，实现手柄运动与船体运动的矢量对应。要实现喷水推进船舶的复杂控制，采用传统的船舶操纵装置难以完全挖掘喷水推进系统在操纵性与机动性方面的潜力。为实现对喷水推进船舶控制高效、准确、简单、智能的目标，结构简单、高效的矢量控制技术越来越受到喷水推进研究者的重视。 本文通过开展对装船的喷水推进器在不同参数下（不同转速、不同转向角、不同倒车斗收放角）的推力矢量进行数值计算，探索喷水推进器运转参数与推力矢量之间的对应关系,并将这种对应关系拟合成数学方程；开展从推力矢量倒推出运转参数的反向输出算法，为喷水推进船舶单手柄矢量控制装置研发提供理论参考。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 2.基本内容和技术方案 2.1基本内容 1. 学习船舶喷水推进器的结构组成与其工作原理。 2. 学习三维建模软件并建立喷水推进船舶的三维模型。 3. 学习CFD数值计算软件，根据帮助文件学习船舶数值计算过程中计算域的设置，网格的划分以及船舶运动模拟的方法。 4. 开展装船的喷水推进器在不同运转参数下（不同转速、不同转向角、不同倒车斗收放角）的推力矢量数值计算。 5. 根据计算结果，探索喷水推进器运转参数与推力矢量之间的潜在规律，将喷水推进器运转参数到推力矢量的对应关系拟合成数学方程。 6. 学习矢量控制基本原理及优化算法，开展从推力矢量倒推出运转参数的反向输出算法，为喷水推进船舶单手柄矢量控制装置研发提供理论参考。 2.2技术方案 1. 依据毕业设计任务书的内容和要求，进行文献收集和阅读，明确选题的目的和意义，了解国内外的研究现状，确定开展论文研究的基本内容、研究方案和技术途径，制定详细、可行的进度安排，在此基础上完成开题报告。 2. 学习和掌握喷水推进的工作原理和喷水推进器的结构组成与功能。 3. 学习计算流体力学，掌握CFD软件Star-CCM的基本使用方法。 4. 学习和掌握喷水推进船舶流场计算域的几何建模方法和网格划分方法。 5. 基于RANS方法和VOF方法开展喷水推进艇在低速机动操纵工况船体与推进器流场特性模拟计算，求取喷水推进器转向倒车联合操作过程的转向力、倒车力和转艏力矩特性。 6. 基于CFD计算结果，探索喷水推进器的转速、转向角和倒车角等运转参数与推进器的推力大小和方向之间的潜在规律并将相互关系拟合为数学方程。 7. 学习矢量控制基本原理及优化算法，开展推力矢量到运转参数的反向输出算法研究，为喷水推进船舶单手柄矢量控制研究提供理论基础。 8. 撰写毕业论文，字数要求不低于12000字；所涉及参考文献不低于15 篇，其中外文文献不少于2篇；毕业论文应符合“武汉理工大学本科生毕业设计（论文）撰写规范（理工类）”的要求。要求熟练掌握Word等办公软件的使用，掌握学位论文的规范撰写，通过毕业论文的研究和撰写有效地锻炼和提高材料组织与撰写的能力。 9. 翻译与设计任务有关的外文文献一篇，英文字符数不少于2 万印刷符（或翻译后的中文不少于5000个汉字）。 |
3. 研究计划与安排
| 3.进度安排
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4. 参考文献（12篇以上）
| 4.参考文献 [1] 丁江明.船舶喷水推进技术国内外研究与应用现状[C]://2013年船舶水动力学学术会 议论文集,西安,中国造船学会,2013. [2] http://www.eworldship.com/ [3] 胡德生,丁江明,王永生.喷水推进船平移机动操纵方法研究[J].中国航海,2011,34(3): 49:53. [4] 谢笑颖,郝芳,刘赟.基于喷水推进器的单手柄操纵系统推力分配策略[J].船舶与海洋 工程,2017,33(2):46-52. [5] 吴恭兴,邹劲,万磊,et al.喷水推进无人艇的基础运动控制系统设计(英文)[J].控制理 论与应用,2010,27(2):257-262. [6] 龚征华,李刚强,李俊舟,熊文,王涛,徐亮,袁景淇,于云潇.喷水推进船舶操舵控制系统 建模及同步控制.中国造船,2016,57(2):175-181. [7] 徐梓京.海浪干扰下的喷水推进船舶矢量控制策略研究[A].中国自动化学会,2018:5. [8] 王雨凡.采用模糊PID的喷水推进船舶控制策略研究[A].《控制与决策》编辑部,2017: 6. [9] 徐海祥,冯辉.船舶动力定位系统原理[M].北京:国防工业出版社,2016. [10] 姚仁太,郭栋鹏.计算流体力学基础与STAR-CD工程应用[M].北京:国防工业出版社, 2015. [11] 丁江明,王永生,刘承江,孙存楼.喷水推进在现代舰艇的应用分析[J].舰船科学技术, 2006(06):28-31. [12] Ding Jiangming, Jiang Jiabing, Gu Lizhong. Vector control technology of waterjet propulsion craft[C]://Proceeding of International Workshop on Water-Jet Propulsion 2015,Shanghai,33-40. [13] D Borrett, P Rae. Waterjet applications in vessels that operate in multiple modes[C]://Fifth International Conference of Waterjet Propulsion,RINA, London,2008,p79-82. [14] J Allision. Marine waterjet propulsion[J].Transactions of SNAME, 1993,101:275-335. [15] S Voulon, A F Wesselink. Manoeuvrability of waterjet-propulsed passenger ferries[C]://3rd International Conference on Fast Sea Transportation (FAST95), Lubeck-Travemunde,Germany,1995. [16] N Bulten.Numerical analysis of a waterjet propulsion system[D].The Eindhoven University of Technology,Eindhoven,The Netherlands,2006. [17] ArashEslamdoost,Lars Larsson,Rickard Bensow.A.Pressure jump method for modeling water-jet/hull interaction[J].Ocean Engineering,2014,8:120-130. [18] Li W,Yang Y,Yuan W,et al.Optimal Thrust Allocation for Ship Dynamic Positioning System[C]//International Conference on Frontier Computing. Springer,Singapore,2016. [19] http://www.hamjet.co.nz/Blue-arrow. [20] http://www.namjet.com/ [21] http://www.wcmcontrols.fi/products04.html [22] http://www.rolls-royce.com/marine/products/propulsor/waterjets |
