一种船用减摇鳍有效投影面积的计算方法与流程

1.本发明涉及一种船舶减横摇领域，特别是涉及一种减摇鳍有效投影面积这一核心参数的计算方法。


背景技术：

2.减摇鳍是一种主动式减摇装置，在船舶减摇领域被广泛应用。减摇鳍系统工作时，通过控制鳍机械角从而达到调控减摇鳍产生升力的目的，水流流向与鳍体的夹角为有效鳍角。由减摇鳍升力公式可知，鳍体有效投影面积a是计算减摇鳍升力l的关键参数之一，忽视波倾角而直接将鳍机械角作为有效鳍角，将导致鳍体有效投影面积计算不准确，进而导致计算得到的升力与实际升力不符。现有的减摇鳍升力计算中通常不考虑波倾角对实际有效鳍投影面积的影响，因而在复杂海况中的升力计算值与实际值相差较大。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提出一种更为精确计算减摇鳍有效投影面积的计算方法，改进现有减摇鳍升力计算方法。
4.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.一种计算减摇鳍有效投影面积的方法，具体包括以下步骤：
6.s1：根据基线测量方法确定经过减摇鳍鳍轴的水平基准线；
7.s2：鳍体平行水平基准线时，鳍机械角为减摇鳍转动初始角度，记为鳍机械角α＝0，鳍体绕鳍轴转动，逆时针转动为正鳍机械角，顺时针转动为负鳍机械角；
8.s3：根据波倾角信号，波升方向为正波倾角，波降方向为负波倾角；
9.s4：由波倾角方向得到实际水流方向，做两条平行于水流方向的助位线，当鳍机械角等于波倾角时，助位线平行于鳍体等效线段；当鳍机械角不等于波倾角时，两条助位线分别经过鳍体的前后边缘；
10.s5：计算减摇鳍有效投影面积，可事先将不同鳍机械角、波倾角对应为13个区间，每个区间对应有相应的有效鳍角计算公式，再将得到的有效鳍角代入减摇鳍投影面积计算公式，完成计算；
11.所述s5中13个区间状态的具体划分方式和计算投影面积公式的步骤为：
12.s51：鳍机械角的状态可按逆时针旋转为正，顺时针旋转为负的原则划分为：零鳍机械角、正鳍机械角、负鳍机械角，波倾角的状态可以根据波升波降具体方向划分为：零倾角、正倾角、负倾角，根据实际情况可组合划分为：零鳍机械角和零倾角、零鳍机械角和正倾角、零鳍机械角和负倾角、正鳍机械角和零倾角、负鳍机械角和零倾角、正鳍机械角大于正倾角、正鳍机械角等于正倾角、正鳍机械角小于正倾角、负鳍机械角大于负倾角、负鳍机械角等于负倾角、负鳍机械角小于负倾角、正鳍机械角和负倾角、负鳍机械角和正倾角13种区间状态；
13.s52：实际有效鳍角计算公式：
[0014][0015]
式中，γ为有效鳍角，α为鳍机械角、β为波倾角；
[0016]
s53：鳍的有效投影面积公式：
[0017]
s＝l
·
w
·
sinγ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0018]
式中，s为有效投影面积，l为鳍体长度，w为鳍体宽度；
[0019]
s54：将所处状态的区间的有效鳍角带入投影面积公式(1)，即可求得当下鳍机械角、波倾角的有效投影面积。
[0020]
本发明的有益效果：
[0021]
(1)本发明提出一种利用鳍机械角、波倾角的减摇鳍有效投影面积计算方法，该方法计算量小，更符合船舶减摇工作的实际情况，提高了减摇鳍升力计算的准确性；
[0022]
(2)本发明依据减摇鳍有效鳍角计算得到的鳍体有效投影面积与只依据鳍机械角计算得到的鳍体投影面积的平均误差达到37.05％，本发明更符合实际情况，较好的提升了鳍体有效投影面积的计算精度。
附图说明
[0023]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有计算方法中的关键步骤，下面将对实施例或现有计算方法的关键步骤中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
[0024]
图1为本发明一种考虑鳍机械角和波倾角影响的减摇鳍有效投影面积的计算方法流程图；
[0025]
图2为本发明的鳍体受力分析及鳍体投影的效果图；
[0026]
图3为本发明的零鳍机械角和零倾角状态的投影面积计算示意图；
[0027]
图4为本发明的零鳍机械角和正倾角状态的投影面积计算示意图；
[0028]
图5为本发明的零鳍机械角和负倾角状态的投影面积计算示意图；
[0029]
图6为本发明的正鳍机械角大于正倾角状态的投影面积计算示意图；
[0030]
图7为本发明的正鳍机械角等于正倾角状态的投影面积计算示意图；
[0031]
图8为本发明的正鳍机械角小于正倾角状态的投影面积计算示意图；
[0032]
图9为本发明的负鳍机械角大于负倾角状态的投影面积计算示意图；
[0033]
图10为本发明的负鳍机械角等于负倾角状态的投影面积计算示意图；
[0034]
图11为本发明的负鳍机械角小于负倾角状态的投影面积计算示意图；
[0035]
图12为本发明的正鳍机械角和零倾角状态的投影面积计算示意图；
[0036]
图13为本发明的负鳍机械角和零倾角状态的投影面积计算示意图；
[0037]
图14为本发明的正鳍机械角和负倾角状态的投影面积计算示意图；
[0038]
图15为本发明的下鳍机械角和上倾角状态的投影面积计算示意图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体角度状态来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在此，在以下说明中，省略了对已知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0040]
图1所示为本发明实施方式减摇鳍在不同鳍机械角、波倾角有效投影面积的计算方法流程图，其中鳍机械角信号α，波倾角信号β，可通过测量得到，减摇鳍鳍体长度l，鳍身宽度w均为已知数据，当输入不同的波倾角信号、鳍机械角信号，经过该流程图判断，将鳍机械角、波倾角代入相应面积公式，即可计算出当下减摇鳍的有效投影面积。本计算方法简单，方便，适用于多数鳍型，通用性较强，提高减摇鳍有效投影面积计算的准确性，进而提高升力计算的精度。
[0041]
本发明的对于考虑鳍机械角和波倾角影响的减摇鳍有效投影面积的计算方法，具体包括以下步骤：
[0042]
s1：根据基线测量方法确定经过减摇鳍鳍轴的水平基准线；
[0043]
s2：鳍体平行水平基准线时，鳍机械角为鳍体转动初始角度，记为鳍机械角α＝0，鳍体绕鳍轴转动，逆时针转动为正鳍机械角，顺时针转动为负鳍机械角；
[0044]
s3：根据波倾角信号，波升方向为正波倾角，波降方向为负波倾角；
[0045]
s4：由波倾角方向得到实际水流方向，做两条平行于水流方向的助位线，当鳍机械角等于波倾角时，助位线平行于鳍体等效线段；当鳍机械角不等于波倾角时，两条助位线分别经过鳍体的前后边缘；
[0046]
s5：计算减摇鳍有效投影面积，可事先将不同鳍机械角、波倾角对应为13个区间状态，每个区间对应有相应的有效鳍角计算公式，再将得到的有效鳍角代入减摇鳍投影面积计算公式，完成计算；
[0047]
s51：鳍机械角的状态可按逆时针旋转为正，顺时针旋转为负的原则划分为：零鳍机械角、正鳍机械角、负鳍机械角，波倾角的状态可以根据波升波降方向具体划分为：零倾角、正倾角、负倾角，根据实际情况可组合划分为：零鳍机械角和零倾角、零鳍机械角和正倾角、零鳍机械角和负倾角、正鳍机械角和零倾角、负鳍机械角和零倾角、正鳍机械角大于正倾角、正鳍机械角等于正倾角、正鳍机械角小于正倾角、负鳍机械角大于负倾角、负鳍机械角等于负倾角、负鳍机械角小于负倾角、正鳍机械角和负倾角、负鳍机械角和正倾角13种区
间状态；
[0048]
s52：实际有效鳍角计算公式：
[0049][0050]
式中，γ为有效鳍角，α为鳍机械角、β为波倾角；
[0051]
s53：鳍的有效投影面积公式：
[0052]
s＝l
·
w
·
sinγ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0053]
式中，s为有效投影面积，l为鳍体长度，w为鳍体宽度；
[0054]
s54：将所处状态的区间的有效鳍角带入投影面积公式(2)，即可求得当下鳍机械角、波倾角的有效投影面积，整理可得：
[0055][0056]
在不同的区间状态时，有效鳍角的计算方式各不相同，具体分析如下所述：
[0057]
如图2所示p为合力方向，l为升力方向，d为阻力方向，可按水流方向沿鳍体前后缘做两条助位线，用来确定鳍体投影的范围，在后面的作图中为方便起见，用鳍轴等效点代替鳍轴，鳍体等效线段代替鳍体；
[0058]
如图3所示无鳍机械角、倾角状态时，沿水流方向无投影面积；
[0059]
如图4、图5所示无鳍机械角，只存在波倾角时，有效鳍角应为波倾角β；
[0060]
如图6所示，正鳍机械角大于正波倾角时，可知α＝γ β，故有效鳍角为γ＝α
‑
β；
[0061]
如图7所示，正鳍机械角等于正波倾角时，有效鳍角为零；
[0062]
如图8所示，正鳍机械角小于正波倾角时，可知β＝γ α，故有效鳍角为γ＝β
‑
α；
[0063]
如图9所示，负鳍机械角大于负波倾角时，可知
‑
α＝
‑
β γ，故有效鳍角为γ＝
‑
α
‑
(
‑
β)；
[0064]
如图10所示，负鳍机械角等于负波倾角时，有效鳍角为零；
[0065]
如图11所示，负鳍机械角小于负波倾角时，可知
‑
β＝
‑
α γ，故有效鳍角为γ＝
‑
β
‑
(
‑
α)；
[0066]
如图12、图13所示无波倾角，只存在鳍机械角时，有效鳍角应为鳍机械角α；
[0067]
如图14所示正鳍机械角和负倾角状态时，有效鳍角为γ＝(
‑
β) α；
[0068]
如图15所示负鳍机械角和正倾角状态时，有效鳍角为γ＝β (
‑
α)。
[0069]
以某一鳍形减摇鳍为例，验证该方法准确性，当l＝2.5m，w＝1.5m，在不同的鳍机械角、波倾角下的各项数据如表1所示：
[0070]
表1不同角度下有效投影面积计算
[0071][0072]
表1中，s0为根据鳍机械角计算得到的投影面积，e为误差百分比，当波倾角为零时e为零，当鳍机械角等于波倾角时e为100％，平均误差百分比为37.05％。分析表中数据可知，依据鳍机械角计算的鳍体投影面积与依据有效鳍角计算的鳍体有效投影面积存在显著差异，在不同角度区间误差百分比波动较大。这说明波倾角对投影面积的影响不可忽略。通过计算在不同鳍机械角、波倾角下鳍体有效投影面积，更直观的反映出减摇鳍在复杂海况条件下的有效投影面积的变化规律。该表格较为详尽的列举了减摇鳍在各种鳍机械角、波倾角关系下有效鳍角与有效投影面积的变化情况，对于减摇鳍系统升力计算有一定的参考意义。