一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法与流程

1.本发明涉及船舶动力学船舶航速预报技术领域，尤其是一种基于实尺度数值模拟的航速预报方法。


背景技术：

2.船舶快速性是船舶诸多性能中重要的性能之一。其优劣程度对民用船舶来说在一定程度上影响船舶的适用性和经济性；对军用舰艇来说直接关系到作战性能。如何检测船舶快速性性能是评价船舶设计是否达到快速性指标的重要依据。研究船舶快速性的方法有：理论研究、试验方法和数值方法。其中，理论方法主要应用流体力学的理论，通过对船舶快速性的观察、调查、思索和分析，其只能对简单的流体力学问题进行定量的分析；而对于船舶快速性这样复杂的问题只能定性分析，不能用于解决实际问题。目前，用于研究船舶快速性的手段主要是试验方法和数值模拟。这两种方法的技术路线是通过傅汝德数相似定律，将船舶缩小到一定的尺寸下，来进行船模尺度下的试验(数值模拟)，在模型尺度下研究船舶阻力特性、螺旋桨敞水特性、船舶自航因子分析等，基于模型下的数据进而进行船舶航速预报。
3.在模型尺度下进行船舶快速性性能研究时，由于不能满足全相似定律(同时满足傅汝德数和雷诺数相似定律)，船舶尺度效应便成了不可回避的问题，虽然可以通过多个尺度的船模试验(数值模拟)来综合评估船舶快速性，但这只能减小船舶尺度效应的影响，并不能回避。另外，在模型尺度下来评估船舶快速性则需要利用模型数据来外推到实船性能。在这过程中，船舶形状因子及船舶表面粗糙度这两方面是必须要考虑的因素，前者虽然通过(1 k)方法来解决，但研究发现k值随着不同船舶吃水、航速及模型尺度大小的变化而变化，并不是一个定值；后者针对新船采用ittc默认值150μm来评估船舶表面粗糙度的影响，但随着现代船舶建造工艺水平的提升，新船的船舶表面粗糙度值肯定比这个数值低，但该数值并不具有代表性。因此，如何解决上述问题是准确地评估船舶快速性的关键。
4.传统航速预报方法存在尺度效应、形状因子影响、粗糙度补贴系数、船舶自航点的获取等因素的影响，本发明拟解决以下技术问题：
5.尺度效应问题——传统方法是基于模型尺度下来进行试验或数值模拟的，由于流体的粘性影响，在模型尺度下船身周围呈现与实尺度下不同的状态，这对船舶阻力的评估有重大的影响。本发明拟采用实尺度数值模拟，准确模拟船身周围的三维流动问题，从而能精确地评估船舶阻力问题；
6.船舶表面粗糙度问题——传统ittc方法是利用公式进行评估船舶表面粗糙度的影响，但该评估值并不能直接带入数值模拟过程中。本发明拟解决如何在数值模拟过程中引入船舶表面粗糙度的影响，从而更精确地评估船舶阻力问题；
7.自航点的获取问题——传统方法是船舶目标航速下采取多个螺旋桨转速，然后利用多个螺旋桨转速工况下的数值进行插值，从而获得当前目标航速下的自航点，成本较高，而且多点插值时会引入一定的误差。本发明拟采用pid算法技术来自动调节实尺度船舶自
航数值模拟过程中螺旋桨转速，最终获得自航点。
8.针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。


技术实现要素：

9.本发明的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，从而评估实船阻力性能、螺旋桨敞水性能及自航因子分析，进而预报实船航速以及螺旋桨的功率分配及转速等。
10.为了达到上述发明目的，本发明提出的一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，通过以下技术方案实现的：
11.一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
12.s1、进行实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟；
13.之后针对每一个进速系数下实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟结果，分别提取螺旋桨的推力t和扭矩值q，并进行无量纲处理；
14.之后将推力系数k
t
、扭矩系数kq及敞水效率η0与各进速系数j形成对应关系；
15.s2、包括：
16.s201、计算船身等效砂粒粗糙度；
17.s202、基于步骤s201所获得数据，进行实尺度船舶阻力数值模拟；
18.之后针对每一个目标航速下实尺度船舶阻力数值模拟结果，提取船舶阻力值r，并进行无量纲处理：
19.之后将船舶总阻力r、总阻力系数c
ts
及有效功率pe与各目标航速v形成对应关系；
20.s203、基于步骤s201所获得数据，进行实尺度船舶自航数值模拟；
21.之后基于pid算法控制螺旋桨转速，以达到实尺度船舶自航点；
22.若所述自航点是基于功率平衡来调节螺旋桨转速，则针对每一个螺旋桨收到功率下实尺度船舶自航数值模拟结果，分别提取螺旋桨收到功率pd、船舶航速v、螺旋桨转速n、螺旋桨推力t及螺旋桨扭矩q，并与各实际监测航速形成对应关系；
23.若所述自航点是基于力或速度平衡来调节螺旋桨转速，针对每一个目标航速下实尺度船舶自航数值模拟结果，分别提取螺旋桨收到功率pd、船舶航速v、螺旋桨转速n、螺旋桨推力t及螺旋桨扭矩q，并与各目标航速形成对应关系；
24.s3、依照上述步骤s1-s2所形成的对应关系，结合船舶主机实际的输出功率对船舶进行航速预报；
25.以上步骤s1-s2不分先后顺序。
26.进一步优选的，所述的步骤s203中pid算法为：
[0027][0028]
其中：
[0029]
u(t)为控制输出；
[0030]
p
target
为监测变量的目标值；
[0031]
p(t)为监测变量的瞬时值；
[0032]
e(t)＝p
target-p(t)为目标值与监测值之间的差值；
[0033]kp
为比例控制系数；
[0034]ki
为积分控制系数；
[0035]
kd为微分控制系数；
[0036]
为积分过程；
[0037]
为微分过程。
[0038]
进一步优选的，所述步骤s201中计算船身等效砂粒粗糙度的方法为：
[0039][0040][0041][0042]cfs
＝c
fos
δcfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0043][0044]
其中：
[0045]
ahr为船身平均粗糙度，单位m；
[0046]
l
wl
为实船水线长，单位m；
[0047]
re为实船雷诺数；
[0048]
v为实船目标航速，单位m/s；
[0049]
ν为15℃海水动力粘度，单位m2/s；
[0050]ks
为船身等效砂粒粗糙度，单位m；
[0051]cfos
为实船摩擦阻力系数；
[0052]
δcf为实船粗糙度补贴系数；
[0053]
联合等式(5)～(9)，使等式(8)＝(9)，即可求得船身等效砂粒粗糙度。
[0054]
进一步优选的，所述步骤s1中实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟的具体步骤为：
[0055]
s101、设定计算域尺寸：定子区域在螺旋桨吸力面方向超10倍螺旋桨直径，螺旋桨压力方面超20倍螺旋桨直径，半径为超10倍螺旋桨直径；转子区域在螺旋桨吸力面方向超1倍螺旋桨直径，螺旋桨压力面方向超4倍螺旋桨直径，半径为超1倍螺旋桨直径且小于2倍螺旋桨直径；
[0056]
s102、设定流体介质：采用15℃海水来进行模拟，并选择湍流模型来封闭控制方程；
[0057]
s103、设定边界条件：螺旋桨吸力面法向的计算域边界及定子区域侧面的边界为速度入口，螺旋桨压力面法向的计算域边界为压力出口，螺旋桨相关物理边界设定为粗糙固体壁面，并输入等效砂粒粗糙度，定子区域与转子区域之间采用交界面来交换数据；
[0058]
s104、设定初始条件：湍流强度设置为1％，湍流粘度比为10，螺旋桨转速固定为72rpm；同时设定介质流速为当前螺旋桨进速系数所对应的速度；
[0059]
s105、设定网格尺度：设定基础网格尺寸为螺旋桨直径的1/20，同时对螺旋桨的桨叶周围及叶梢下游环形区域进行网格加密；针对螺旋桨桨叶部分添加边界层网格，第一层网格高度根据无量纲y 来进行设定，最外层边界层网格与螺旋桨周围网格之间存在过渡，并进行网格划分；
[0060]
s106、设定监测量：对螺旋桨的桨叶及桨毂部分推力及扭矩进行监测；
[0061]
s107、进行数值模拟直至计算收敛；
[0062]
以上步骤s101-s106不分先后顺序。
[0063]
进一步优选的，步骤s1中的无量纲处理方法为：
[0064][0065][0066][0067][0068]
其中：
[0069]
j为螺旋桨的进速系数；
[0070]va
为螺旋桨的静水速度，单位m/s；
[0071]
n为螺旋桨的转速，单位rps；
[0072]
d为螺旋桨的直径，单位m；
[0073]
t为螺旋桨的推力，单位n；
[0074]
q为螺旋桨的扭矩，单位n
·
m；
[0075]kt
为螺旋桨的推力系数；
[0076]kq
为螺旋桨的扭矩系数；
[0077]
η0为螺旋桨的敞水效率；
[0078]
ρ为15℃海水密度，单位kg/m3；
[0079]
π为圆周率。
[0080]
进一步优选的，所述步骤s202中实尺度船舶阻力数值模拟方法为：
[0081]
s2021、设定计算域尺寸：船艏方向超1倍船长，船艉方向超3倍船长，水面以上部分超1倍船长，水面以下部分超2倍船长，船舶左舷及右舷方向超2倍船长；
[0082]
s2022、设定流体介质：采用15℃海水、空气进行模拟，同时考虑重力的影响，并选
择湍流模型对控制方程进行封闭，采用vof方法来捕捉两相流交界面；对于高速船，添加运动模块；
[0083]
s2023、设定边界条件：船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界为速度入口，顶部及底部计算域边界设定为滑移壁面，船艉计算域边界设定为压力出口，将包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨和节能装置在内的船身设定为粗糙固体壁面，并输入船身等效砂粒粗糙度；船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界设置消波效果；
[0084]
s2024、设定初始条件：湍流强度设置为1％，湍流粘度比为10，同时设定流体介质流速为实船目标航速；高速船的情况下，设定船舶质量、质心位置及惯性矩；
[0085]
s2025、设定网格尺度：设定基础网格尺寸为船长的1/50，同时分别对船身周围、自由液面、kelvin波进行3层网格加密；针对船艏兴波及船艉复杂的流动进行精细化网格加密，船身周围添加边界层网格，第一层网格高度根据无量纲y 来进行设定，最外层边界层网格与船身周围网格之间存在过渡，并进行网格划分；
[0086]
s2026、设定监测量：
[0087]
对包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨和节能装置在内的船身阻力进行监测；
[0088]
若为高速船的情况下，则对船舶升沉及纵倾进行监测；
[0089]
s2027、进行数值模拟直至计算收敛；
[0090]
以上步骤s2021-s2026不分先后顺序。
[0091]
进一步优选的，步骤s202中的无量纲处理方法为：
[0092]cts
＝r/(0.5ρsv2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0093]
其中：
[0094]cts
为船舶阻力系数，
[0095]
r为船舶阻力，单位n，
[0096]
ρ为15℃海水密度，单位kg/m3，
[0097]
s为船舶湿表面积，单位m2，
[0098]
v为船舶目标航速，单位m/s，
[0099]
则实船有效功率为：
[0100]
pe＝r*v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0101]
其中：
[0102]
pe为实船航速所需要的有效功率，单位w。
[0103]
进一步优选的，所述步骤s203中实尺度船舶自航数值模拟方法：
[0104]
s2031、设定计算域尺寸：船艏方向超1倍船长，船艉方向超3倍船长，水面以上部分超1倍船长，水面以下部分超2倍船长，船舶左舷及右舷方向超2倍船长；
[0105]
s2032、设定流体介质：采用15℃海水、空气进行模拟，同时考虑重力的影响，并选择湍流模型对控制方程进行封闭，采用vof方法来捕捉两相流交界面；如采用虚拟螺旋桨，则添加体积力模型；若船舶自航点的获取方式是基于功率，速度平衡来控制的情况或高速船的情况下，添加网格运动模块；
[0106]
s2033、设定边界条件：船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界为速度入口，顶部及底部计算域边界设定为滑移壁面，船艉计算域边界设定为压力出口，包括甲板、艉封
板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨和节能装置在内的船身设定为粗糙固体壁面，并输入船身等效砂粒粗糙度；如采用真实螺旋桨来模拟推进效果，将螺旋桨相关物理边界设定为粗糙固体壁面，并输入等效砂粒粗糙度，定子区域与转子区域之间采用交界面来交换数据；船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界设置消波效果；高速船的情况下，需设定船舶质量及惯性矩；
[0107]
s2034、设定初始条件：湍流强度设置为1％，湍流粘度比为10，同时设定流体介质流速为实船目标航速；若船舶自航点的获取方式是基于功率或速度平衡来控制的情况下，设定流体介质流速为0，同时设定船舶初始航速为目标航速；
[0108]
s2035、设定网格尺度：设定基础网格尺寸为船长的1/50，同时分别对船身周围、自由液面、kelvin波进行3层网格加密；针对船艏兴波及船艉复杂的流动进行精细化网格加密，船身周围添加边界层网格，第一层网格高度根据无量纲y 来进行设定，最外层边界层网格与船身周围网格之间存在过渡，并进行网格划分；若采用真实螺旋桨来模拟推进效果，螺旋桨及转子区域部分的网格划分方法参考s105中网格尺度划分方法；
[0109]
s2036、设定监测量：对包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨、节能装置在内的船身阻力进行监测；
[0110]
对螺旋桨转速进行监测；
[0111]
对螺旋桨的桨叶及桨毂部分推力及扭矩进行监测；
[0112]
对螺旋桨的收到功率进行监测；
[0113]
若高速船的情况下，则对船舶升沉及纵倾进行监测；
[0114]
若船舶自航点的获取方式是基于功率或速度平衡进行控制，则对船舶航速进行监测；
[0115]
s2037、进行数值模拟直至计算收敛；
[0116]
以上步骤s2031-s2036不分先后顺序。
[0117]
进一步优选的，所述实尺度船舶自航数值模拟中螺旋桨推进方式的实现方式包括虚拟螺旋桨模拟和真实螺旋桨模拟；若所述虚拟螺旋桨采用体积力方法，不细分螺旋桨安装位置处的网格；若所述真实螺旋桨采用转子区域转动实现螺旋桨旋转效果，采用滑移网格技术进行数据交换或采用重叠网格技术进行数据交换。
[0118]
进一步优选的，所述对应关系指的是形成有对应关系的表格或曲线。
[0119]
相对现有技术，本发明的有益效果是：
[0120]
1、本发明采用实尺度数值模拟技术，满足全相似定律(同时满足雷诺数相似定律及傅汝德数相似定律)，从根本上解决了尺度效应问题；同时无需船模到实船的外推过程，更无需考虑船舶形状因子k值的影响；
[0121]
2、本发明引入新的船舶表面粗糙度的评估方法：结合各大造船厂的建造工艺水平，并引入了雷诺数来评估船身砂粒粗糙度，能准确地描述船舶表面粗糙度对流动的影响；
[0122]
3、本发明利用pid算法自动调节实尺度船舶自航数值模拟过程中螺旋桨转速，最终获得自航，避免了多个螺旋桨旋转工况的数值模拟过程中的插值过程，提高了计算效率，节约时间成本，同时也避免了多个螺旋桨旋转工况下数据插值带来的误差；
[0123]
4、本发明利用实尺度船舶数值模拟来进行实船航速预报，提供一种全新的船舶航速预报方法。
附图说明
[0124]
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
[0125]
图1为实尺度螺旋桨敞水数值模拟计算区域示意图
[0126]
图2为实尺度船舶阻力数值模拟计算区域示意图
[0127]
图3为pid控制的示意图。
具体实施方式
[0128]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
[0129]
参见图1-3所示，本发明实施例提供一种基于实尺度数值模拟的船舶航速预报方法，该方法包括如下步骤：
[0130]
s1、包括如下步骤：
[0131]
进行实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟；
[0132]
之后针对每一个进速系数下实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟结果，分别提取螺旋桨的推力t和扭矩值q，并进行无量纲处理；
[0133]
之后将推力系数k
t
、扭矩系数kq及敞水效率η0和各进速系数j形成对应关系；在优选的实施方式中，上述对应关系指的是将推力系数k
t
、扭矩系数kq及敞水效率η0等数据按照不同的进速系数j整理表格或曲线。
[0134]
在上述步骤s1中，实尺度螺旋桨敞水性能数值模拟的具体步骤如下：
[0135]
s101、设定计算域尺寸：定子区域在螺旋桨吸力面方向超10倍螺旋桨直径，螺旋桨压力方面超20倍螺旋桨直径，半径为超10倍螺旋桨直径；转子区域在螺旋桨吸力面方向超1倍螺旋桨直径，螺旋桨压力面方向超4倍螺旋桨直径，半径为超1倍螺旋桨直径且小于2倍螺旋桨直径。如图1所示，图1中a为定子区域、b为转子区域、c为螺旋桨桨叶、d为螺旋桨桨毂、e为速度入口、f为压力出口、d为螺旋桨直径。
[0136]
s102、设定流体介质：采用单相不可压缩流体(15℃海水)来进行模拟，并选择合适的湍流模型来封闭控制方程；
[0137]
s103、设定边界条件：螺旋桨吸力面法向的计算域边界及定子区域侧面的边界为速度入口，螺旋桨压力面法向的计算域边界为压力出口，螺旋桨相关物理边界设定为粗糙固体壁面，并基于当前螺旋桨加工工艺，输入等效砂粒粗糙度(本实施例等效砂粒粗糙度ks＝30μm)，定子区域与转子区域之间采用交界面来交换数据；
[0138]
s104、设定初始条件：湍流强度设置为1％，湍流粘度比为10，螺旋桨转速固定为72rpm；同时设定介质流速为当前螺旋桨进速系数所对应的速度；
[0139]
s105、设定网格尺度：设定基础网格尺寸为螺旋桨直径的1/20，同时对螺旋桨的桨叶周围及叶梢下游环形区域进行网格加密；针对螺旋桨桨叶部分添加边界层网格，第一层网格高度根据无量纲y 来进行设定，最外层边界层网格与螺旋桨周围网格之间存在过渡，并进行网格划分；
[0140]
s106、设定监测量：对螺旋桨的桨叶及桨毂部分推力及扭矩进行监测；
[0141]
s107、进行数值模拟直至计算收敛；
[0142]
本领域技术人员应当理解，以上步骤s101-s106不分先后顺序，均为步骤s107的前
置步骤，在步骤s107之前完成。
[0143]
在上述步骤s1中，步骤s1中的无量纲处理方法为：
[0144][0145][0146][0147][0148]
其中：
[0149]
j为螺旋桨的进速系数；
[0150]va
为螺旋桨的静水速度，单位m/s；
[0151]
n为螺旋桨的转速，单位rps；
[0152]
d为螺旋桨的直径，单位m；
[0153]
t为螺旋桨的推力，单位n；
[0154]
q为螺旋桨的扭矩，单位n
·
m；
[0155]kt
为螺旋桨的推力系数；
[0156]kq
为螺旋桨的扭矩系数；
[0157]
η0为螺旋桨的敞水效率；
[0158]
ρ为15℃海水密度，单位kg/m3；
[0159]
π为圆周率。
[0160]
s2、包括如下步骤：
[0161]
s201、计算船身等效砂粒粗糙度；
[0162]
s202、基于步骤s201所获得数据，进行实尺度船舶阻力数值模拟；
[0163]
之后针对每一个目标航速下实尺度船舶阻力数值模拟结果，提取船舶阻力值r，并进行无量纲处理：
[0164]
之后将船舶总阻力r、总阻力系数c
ts
及有效功率pe和各目标航速v形成对应关系；在优选的实施方式中，上述对应关系指的是将船舶总阻力r、总阻力系数c
ts
、有效功率pe按照不同的目标航速v整理成表格或曲线。
[0165]
s203、基于步骤s201所获得数据，进行实尺度船舶自航数值模拟；
[0166]
之后基于pid算法控制螺旋桨转速，以达到实尺度船舶自航点；
[0167]
若所述自航点是基于功率平衡来调节螺旋桨转速，则针对每一个螺旋桨收到功率下实尺度船舶自航数值模拟结果，分别提取螺旋桨收到功率pd、船舶航速v、螺旋桨转速n、螺旋桨推力t及螺旋桨扭矩q，并与各实际监测航速形成对应关系；在优选的实施方式中，上述对应关系指的是将螺旋桨收到功率pd、船舶航速v、螺旋桨转速n、螺旋桨推力t及螺旋桨扭矩q按照不同的实际监测航速整理成表格或曲线。
[0168]
若所述自航点是基于力或速度平衡来调节螺旋桨转速，针对每一个目标航速下实尺度船舶自航数值模拟结果，分别提取螺旋桨收到功率pd、船舶航速v、螺旋桨转速n、螺旋桨推力t及螺旋桨扭矩q，并与各目标航速形成对应关系；在优选的实施方式中，上述对应关系指的是将螺旋桨收到功率pd、船舶航速v、螺旋桨转速n、螺旋桨推力t及螺旋桨扭矩q按照不同的目标航速整理成表格或曲线。
[0169]
在以上步骤中，步骤s1-s2不分先后顺序。
[0170]
在上述的步骤s2中，步骤s203中pid算法为:
[0171][0172]
其中：
[0173]
u(t)为控制输出；
[0174]
p
targe
t为监测变量的目标值；
[0175]
p(t)为监测变量的瞬时值；
[0176]
e(t)＝p
target-p(t)为目标值与监测值之间的差值；
[0177]kp
为比例控制系数；
[0178]ki
为积分控制系数；
[0179]
kd为微分控制系数；
[0180]
为积分过程；
[0181]
为微分过程。
[0182]
鉴于船舶达到目标航速稳定航行的情况下，船舶存在以下平衡效果：
[0183]
p
p
＝pdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0184]
r＝t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0185]vinstant
＝v
target
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0186]
因此，pid算法中的e(t)＝p
target-p(t)可以分别用功率值、阻力值及船舶航速值带入，从而形成基于功率平衡、基于力平衡和基于速度的三种控制方法；
[0187]
其中：
[0188]
p
p
为螺旋桨的功率消耗，单位w；
[0189]
pd为螺旋桨的收到功率，单位w；
[0190]
r为船舶收到的阻力，单位n；
[0191]
t为螺旋桨的推力，单位n；
[0192]vinstant
为船舶瞬时航速，单位m/s；
[0193]vtarget
为船舶目标航速，单位m/s。
[0194]
在上述的步骤s2中，步骤s201中计算船身等效砂粒粗糙度的方法为：
[0195][0196]
[0197][0198]cfs
＝c
fos
δcfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0199][0200]
其中：
[0201]
ahr为船身平均粗糙度，单位m；
[0202]
l
wl
为实船水线长，单位m；
[0203]
re为实船雷诺数；
[0204]
v为实船目标航速，单位m/s；
[0205]
ν为15℃海水动力粘度，单位m2/s；
[0206]ks
为船身等效砂粒粗糙度，单位m；
[0207]cfos
为实船摩擦阻力系数；
[0208]
δcf为实船粗糙度补贴系数；
[0209]
联合等式(5)～(9)，使等式(8)＝(9)，即可求得船身等效砂粒粗糙度。
[0210]
在上述的步骤s2中，步骤s202中实尺度船舶阻力数值模拟方法为：
[0211]
s2021、设定计算域尺寸：船艏方向超1倍船长，船艉方向超3倍船长，水面以上部分超1倍船长，水面以下部分超2倍船长，船舶左舷及右舷方向超2倍船长；如图2所示，图2中e为速度入口、f为压力出口、g为滑移壁面、h为计算域、i为实尺度船舶、l为船长。
[0212]
s2022、设定流体介质：采用两相流(15℃海水、空气)进行模拟，同时考虑重力的影响，并选择湍流模型对控制方程进行封闭，采用vof方法来捕捉两相流交界面；对于高速船，添加运动模块，这是因为高速船航行时，船舶姿态发生变化，其阻力值也会相应变化，姿态变化对阻力值的影响很大，因此需要添加运动模块；对于低速船，船身姿态变化较小，相应的影响忽略不计；
[0213]
s2023、设定边界条件：船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界为速度入口，顶部及底部计算域边界设定为滑移壁面，船艉计算域边界设定为压力出口，将包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨和节能装置在内的船身设定为粗糙固体壁面，并输入船身等效砂粒粗糙度；为了避免反射波的影响，船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界设置消波效果；
[0214]
s2024、设定初始条件：湍流强度设置为1％，湍流粘度比为10，同时设定流体介质流速为实船目标航速；高速船的情况下，设定船舶质量、质心位置及惯性矩；
[0215]
s2025、设定网格尺度：设定基础网格尺寸为船长的1/50，同时分别对船身周围、自由液面、kelvin波进行3层网格加密；针对船艏兴波及船艉复杂的流动进行精细化网格加密，船身周围添加边界层网格，第一层网格高度根据无量纲y 来进行设定，最外层边界层网格与船身周围网格之间存在过渡，并进行网格划分；
[0216]
s2026、设定监测量：
[0217]
对包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨和节能装置在内的船身阻力进行监测；
[0218]
若为高速船的情况下，则对船舶升沉及纵倾进行监测；
[0219]
s2027、进行数值模拟直至计算收敛；
[0220]
以上步骤s2021-s2026不分先后顺序。
[0221]
在上述的步骤s2中，步骤s202中的无量纲处理方法为：
[0222]cts
＝r/(0.5ρsv2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0223]
其中：
[0224]cts
为船舶阻力系数，
[0225]
r为船舶阻力，单位n，
[0226]
ρ为15℃海水密度，单位kg/m3，
[0227]
s为船舶湿表面积，单位m2，
[0228]
v为船舶目标航速，单位m/s，
[0229]
则实船有效功率为：
[0230]
pe＝r*v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0231]
其中：
[0232]
pe为实船航速所需要的有效功率，单位w。
[0233]
在上述的步骤s2中，步骤s203中实尺度船舶自航数值模拟方法：
[0234]
s2031、设定计算域尺寸：船艏方向超1倍船长，船艉方向超3倍船长，水面以上部分超1倍船长，水面以下部分超2倍船长，船舶左舷及右舷方向超2倍船长；
[0235]
s2032、设定流体介质：采用两相流(15℃海水、空气)进行模拟，同时考虑重力的影响，并选择湍流模型对控制方程进行封闭，采用vof方法来捕捉两相流交界面；如采用虚拟螺旋桨，则添加体积力模型；若船舶自航点的获取方式是基于功率，速度平衡来控制的情况或高速船的情况下，添加网格运动模块；
[0236]
s2033、设定边界条件：船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界为速度入口，顶部及底部计算域边界设定为滑移壁面，船艉计算域边界设定为压力出口，包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨和节能装置在内的船身设定为粗糙固体壁面，并输入船身等效砂粒粗糙度；如采用真实螺旋桨来模拟推进效果，将螺旋桨相关物理边界设定为粗糙固体壁面，并基于当前螺旋桨加工工艺，输入等效砂粒粗糙度(本实施例等效砂粒粗糙度ks＝30μm)，定子区域与转子区域之间采用交界面来交换数据；船艏计算域边界，左舷及右舷两侧计算域边界设置消波效果；高速船的情况下，需设定船舶质量及惯性矩；
[0237]
s2034、设定初始条件：湍流强度设置为1％，湍流粘度比为10，同时设定流体介质流速为实船目标航速；若船舶自航点的获取方式是基于功率或速度平衡来控制的情况下，设定流体介质流速为0，同时设定船舶初始航速为目标航速；
[0238]
s2035、设定网格尺度：设定基础网格尺寸为船长的1/50，同时分别对船身周围、自由液面、kelvin波进行3层网格加密；针对船艏兴波及船艉复杂的流动进行精细化网格加密，船身周围添加边界层网格，第一层网格高度根据无量纲y 来进行设定，最外层边界层网格与船身周围网格之间存在过渡，并进行网格划分；若采用真实螺旋桨来模拟推进效果，螺
旋桨及转子区域部分的网格划分方法参考s105中网格尺度划分方法；
[0239]
s2036、设定监测量：对包括甲板、艉封板、船体、船舵、上层建筑、舭龙骨、节能装置在内的船身阻力进行监测；
[0240]
对螺旋桨转速进行监测；
[0241]
对螺旋桨的桨叶及桨毂部分推力及扭矩进行监测；
[0242]
对螺旋桨的收到功率进行监测；
[0243]
若高速船的情况下，则对船舶升沉及纵倾进行监测；
[0244]
若船舶自航点的获取方式是基于功率或速度平衡进行控制，则对船舶航速进行监测；
[0245]
s2037、进行数值模拟直至计算收敛；
[0246]
以上步骤s2031-s2036不分先后顺序。
[0247]
实尺度船舶自航数值模拟中螺旋桨推进方式的实现方式包括虚拟螺旋桨模拟和真实螺旋桨模拟；若所述虚拟螺旋桨采用体积力方法，不细分螺旋桨安装位置处的网格；若所述真实螺旋桨采用转子区域转动实现螺旋桨旋转效果，采用滑移网格技术进行数据交换或采用重叠网格技术进行数据交换。
[0248]
s3、包括如下步骤：
[0249]
依照上述步骤s1-s2所形成的对应关系，结合船舶主机实际的输出功率对船舶进行航速预报；
[0250]
相对现有技术，本发明的有益效果是：
[0251]
1、本发明采用实尺度数值模拟技术，满足全相似定律(同时满足雷诺数相似定律及傅汝德数相似定律)，从根本上解决了尺度效应问题；同时无需船模到实船的外推过程，更无需考虑船舶形状因子k值的影响；
[0252]
2、本发明引入新的船舶表面粗糙度的评估方法：结合各大造船厂的建造工艺水平，并引入了雷诺数来评估船身砂粒粗糙度，能准确地描述船舶表面粗糙度对流动的影响；
[0253]
3、本发明利用pid算法自动调节实尺度船舶自航数值模拟过程中螺旋桨转速，最终获得自航，避免了多个螺旋桨旋转工况的数值模拟过程中的插值过程，提高了计算效率，节约时间成本，同时也避免了多个螺旋桨旋转工况下数据插值带来的误差；
[0254]
4、本发明利用实尺度船舶数值模拟来进行实船航速预报，提供一种全新的船舶航速预报方法。
[0255]
以上通过实施例对于本发明的发明意图和实施方式进行详细说明，但是本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。