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波浪对船舶螺旋桨动力和推进性能的影响

摘要

本文研究了波浪对船舶推进系统的影响。为了研究不同波浪条件下的推进问题，提出了一种波浪尾迹估计方法。在考虑发动机螺旋桨动力学、尾迹变化和推力、转矩损失的情况下，可以观察到波浪中推进性能的明显下降。这可以解释在波浪存在时，除了增加阻力的影响外，船舶性能也会下降。因此，考虑波浪对船舶推进系统的影响，可以提高船舶在恶劣天气下的性能预测。还确定了导致性能下降的具体问题。模拟了螺旋桨出水等极端情况下的系统响应，分析了推进系统的性能和安全性。本文所演示的发动机-螺旋桨耦合框架也可用于分析推进系统的不同部件(如传动轴、控制系统)，具有较高的精度和较强的可操作性。本论文的目的是使船舶在实际的工作条件下，而不是在平静的水域条件下，为节能和经济的船舶优化推进。

1介绍

传统上，船舶已经为平静的水面操作进行了优化，因为这是合同海上试验的预期条件，也可能是因为一个人没有知识和工具来优化船舶在波浪中的操作。船舶的设计当然是为了在所有的操作条件下都是安全的，但在典型的操作条件下不是最有效的，因为大多数船舶都不是在平静的水面上。因此，如果在设计优化中考虑波浪的适航性和动力，就有望设计出更节能、更经济的船舶。

目前，推进装置是为平静的水面操作而优化的。而非设计条件，如恶劣的天气，则通过在所需功率上增加简单的海缘来解决。通常情况下，静水条件下的海边际功率为所需功率的15-25%。然而，为了优化所安装的发动机尺寸，应根据船舶在最坏工况下的性能，准确地计算出海裕度，以便在保证安全的同时，尽可能地使用最小的发动机功率船的性能。在波浪中影响船舶性能的各种因素如图1所示。

波浪对推进系统的影响尚不清楚。已经观察到，发动机和螺旋桨系统对波浪中遇到的时变流场有反应，考虑到波浪对已经在设计阶段的发动机螺旋桨系统的影响，模拟这种效应是有用的。当螺旋桨出现紧急情况时，当螺旋桨部分露出水面时，螺旋桨扭矩明显下降，根据发动机控制方式的不同，可能会出现螺旋桨空转。这是自愿减速的主要指标之一。因此，螺旋桨出水预测对预测波浪可达速度和发动机动态响应具有重要意义。

在波浪中，流场的变化改变了推进因子，与静水条件相比。Nakamura和Naito(1975)证明了波浪和船舶运动对船舶推力减除和尾迹率的影响。尾流还受到船舶纵摇运动的影响，导致平均尾流增加(Fal- tinsen et al.， 1980)，同时尾流波动增加(Ueno et al.， 2013)。在Guo等人(2012)的RANS模拟中，波浪和船舶运动存在时，尾流场发生了显著变化，其中名义尾流场是在波浪中获得的。Sadat-Hosseini等人(2013)也得到了类似的结果，他们使用粒子图像测速(PIV)在波存在的情况下获得尾迹。

船在海浪

增加了螺旋桨负载

附加阻力

后改变

船舶运动

空化

时变发动机负载

推进因素

通风,螺旋桨出现

自由表面效应

对船舶性能的影响

中村和内藤(1975)、Lee(1983)和Amini(2011)观察到，流场的变化会引起螺旋桨推力和扭矩的波动。Taskar和Steen(2015)认为有必要研究波浪存在时观察到的大扭矩变化对发动机性能的影响。此外，波浪由于升沉和纵摇而引起螺旋桨潜水运动和周期性变化。螺旋桨浸没、喘振运动和螺旋桨偶然出现的变化会引起发动机载荷的波动。这可能会影响发动机的性能，以及螺旋桨的性能由于轴转速的变化。因此，发动机和螺旋桨应作为一个系统来共同研究，以正确地模拟它们之间的相互作用。

此外，在优化机械控制策略时，还应考虑船舶和螺旋桨的动力学(Kyrtatos, 1997)。Taskar et al.(2015)的研究表明，为了保持船舶航速恒定，非定常螺旋桨入流会导致功率和燃料消耗显著增加。

波浪存在时，螺旋桨上的可变载荷会导致机械故障(Amini, 2011)。因此，有必要对这类荷载的大小进行估算。Tanizawa等人(2013)开发了一种方法，在自推进试验中包含真实的发动机响应，以模拟真实情况，并在可调螺距螺旋桨情况下，获得不同桨距设置下波浪油耗的准确估计。

表1船舶资料

表2螺旋桨的几何

目的是获得船舶推进系统的真实动态响应。Queutey等(2014)通过模型试验和实验研究了波浪对带吊舱船舶绕流的影响，考虑了波浪对空化和通风的影响。Kayano等人(2013)通过全尺度实验研究了风、浪等环境条件对推进性能的影响。他们观察到，在有风有浪的情况下，全尺度实验测量的DHP(输出马力)高于估计值，推进效率低于估计值。因此，为了提高船舶运行的节能效果，需要在考虑风浪影响的情况下更准确地预测功率曲线。

为了研究船舶-推进-柴油机系统的耦合动力学，Kyrtatos等(1999)对螺旋桨-柴油机动力学进行了仿真，并应用了PI调速器。所使用的发动机模型建立在充放电方法和燃烧与扫气的现象学子模型的基础上。验证了该模型在不同暂态负荷下的可靠性。Livanos等人(2006)、Theotokatos和Tzelepis(2013)研究了船舶-推进-柴油发动机系统的耦合动力学。第一个试验是在机动操作下用一个可调螺距螺旋桨对发动机系统响应，如轴转速、涡轮增压器转速和动力在瞬态负载下的发展进行测试。使用的引擎模型是一个平均值模型，来自他们的现象学模型称为母型。后者的作者做了一个类似的研究，更侧重于发动机的排放。Campora和Figari(2003)在耦合模拟中使用了带有两个区域描述的唯象发动机模型。仿真结果经实尺测量验证。在所有提到的研究中，螺旋桨要么作为一个基本的螺旋桨模型，从一个开放的水性能测试中获得，要么作为一个时间序列的实验测量扭矩。因此，波浪对推进系统的影响被排除或静态考虑。

本文研究了波浪对推进系统的影响。研究了不同方向的波浪对发动机与螺旋桨非定常相互作用的影响。模拟螺旋桨出水等事故，观察发动机的综合性能、控制系统的响应及其对船舶运行的影响。推进系统的总效率已经在波浪存在的情况下进行了研究，以检查推进效率的下降是否应该考虑到波浪的功率和速度预测。本文还探讨了在假定螺旋桨转速不变的情况下计算非定常螺旋桨载荷的有效性。

为此，在MATLAB-Simulink中建立了发动机与螺旋桨的耦合模型，并给出了波浪尾迹的估计方法。模拟了不同波长、不同波高、不同波向的多波条件，观察它们对推进力的影响。本研究证明了使用一个耦合的发动机螺旋桨系统来精确估计船舶性能的重要性。在保证安全的前提下，可进一步优化装机功率船舶在各种天气条件下，而不是简单地增加一个海缘。本研究还将阐明螺旋桨出水对发动机性能的影响。

2.几何形状和尾流数据

尾流场是螺旋桨设计和性能评估的重要输入部分。因此，研究波浪对螺旋桨性能的影响，必须了解波浪中的尾流场。然而，由于大多数情况下尾流场只能在静水条件下获得，因此波浪中的尾流数据很少。获取这些数据既复杂又耗时。Sadat-Hosseini等人(2013)对KVLCC2船体进行了模型试验，获得了三种不同波的尾流场。因此，本研究以KVLCC2作为病例血管。船体的几何细节

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