【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海上风帆船舶设计及建造领域，具体涉及一种风帆助推船舶单帆推力特性预报及转角控制方法。
技术介绍
1、现代风帆助推装置已经成为远洋船舶绿色化发展的重要标志性装备之一。翼型风帆自身的气动力效果直接影响到装船后的整体助推效果，准确高效的评估翼型风帆助推特性，并以此为基础开展翼型的优化设计是风帆产业化推广过程中的关键环节。
2、基于单帆气动力特性的风帆推力特性评估，目前尚未形成标准的流程和方法，有必要提供一种标准化的方法准确高效评估风帆推力特性，并基于最优的推力特性制定风帆转角控制策略，为风帆助推船舶的实船应用提供指导。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种风帆助推船舶单帆推力特性预报及转角控制方法，其所采用的技术方案及具体方法如下：
2、步骤1：定义单帆推力特性预报相关坐标系。
3、为准确预报风帆装置的推力特性需要定义2个坐标系，分别为风帆坐标系和船舶坐标系。
4、步骤101：定义风帆坐标系，用以表征风帆的风攻角β及风帆的单帆气动力特性，记为coor.o’。
5、坐标原点o’：取为风帆宽度方向轴线与对称轴的交点。
6、x轴，沿风帆宽度轴线方向，向右为正。
7、y轴，垂直于轴线方向，指向凸面为正。
8、z轴，沿风帆高度方向，向上为正。
9、风攻角β定义为风帆坐标系下风的来向与x轴的夹角。β范围为[0°，180°]，绕y轴逆时针旋转。
10、步骤102：定义船
11、坐标原点0：取为船舶尾垂线、中纵剖面与基线的相交处。
12、x轴：纵向轴，正方向为从船尾指向船首。
13、y轴：横向轴，正方向为从船中心线指向左舷。
14、z轴：垂向轴，正方向为垂直xy面向上。
15、风帆助推船舶相对风向角α，定义为风的来向与船首向之间的夹角，顺时针旋转为正，αϵ [0°, 360°)。当船艏正迎风时，α=0°。
16、风帆转角θ指风帆坐标系的y轴相对船舶坐标系x轴转过的角度，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，θ的取值范围为[-90°，+90°]。
17、步骤2：确定风帆推力特性评估时的风帆气动力特性矩阵。
18、风帆装置气动力特性基于单帆气动力分析或模型试验得到，由无量纲系数矩阵cn和ct表征。
19、cn为风帆坐标系下垂直于帆面轴向的法向力系数矩阵。
20、ct为风帆坐标系下沿着帆面轴向的无量纲轴向力系数矩阵。
21、法向力系数cn和轴向力系数ct随风攻角β变化，得到风帆气动力矩阵表，如下表所示，其中β的取值范围为[0°，180°]，风攻角间隔△β的取值范围为[1°，10°]。
22、
23、步骤3：风帆推力特性预报及转角确定。
24、步骤301：针对各个相对风向角α确定可行的风帆转角θ范围[θ_liml,θ_limr]，使得在该风帆转角范围内可沿船长方向产生助推力，计算得到有效风帆转角矩阵区间。
25、相对风向角α取值范围为[0°, 360°)， 第i个相对风向角记为αi。
26、相对风向角之间的间隔△α取为1°，共计360个相对风向角。αi对应的相对风向角为i。
27、θ_liml表示与相对风向角α对应的风帆转角左极限，θ_limr表示与相对风向角对应的风帆转角右极限。
28、相对风向角αi∈[ 0°, 180°] 时，左极限θi_liml=-90°，右极限θi_limr= -90°+αi。
29、相对风向角αi∈(180°,360°) 时，左极限θi_liml=αi-270°，右极限θi_limr= 90°。
30、θi_liml表示与αi对应的风帆转角左极限，θi_limr表示与αi对应的风帆转角右极限。
31、相对风向角αi对应的可行风帆转角个数为θi_limr~θi_liml+1。得到有效风帆转角极限矩阵，如下表所示：
32、
33、风帆转角θij的取值间隔△θij为1°，得到有效风帆转角矩阵表，如下表所示：
34、
35、步骤302：针对各个相对风向角αi，遍历各个有效风帆转角，计算对应的风攻角β_newij，得到β_new的双参数二维矩阵，如下表所示：
36、
37、其中，β_newij表示在相对风向角αi及其对应的第j个相对风帆转角θij下的风攻角。
38、风攻角β_newij可由下式计算：β_newij=270°+△θij-αi。
39、步骤303：由计算得到的风攻角β_new双参数二维矩阵，分别结合单帆气动力特性矩阵cn和ct插值计算，得到风攻角β_new对应的法向力系数矩阵cn_new和轴向力系数矩阵ct_new。
40、相对风向角αi下、风攻角β_newij对应的法向力系数矩阵记为cn_newij，轴向力系数记为ct_newij。
41、插值算法采用2次样条插值，以保证工程精度。
42、步骤304：针对各个相对风向角αi，风帆转角θij，基于前述步骤303得到的风帆气动力矩阵，进一步计算船体坐标下的推力系数矩阵fx。
43、相对风向角αi下风帆转角θij对应的推力系数记为fxij，由下式计算得到：
44、fxij=cn_newij×cos(θij)-ct_newij×sin(θij)。
45、步骤305：针对相对风向角αi，遍历各个风帆转角θij对应的风帆推力系数fxij，得到最大的推力系数fxi用于表征该相对风向角下的风帆推力特性，对应的风帆转角即为风帆控制转角θcontroli。
46、遍历所有相对风向角，得到风帆推力系数矩阵fx及风帆转角控制矩阵θcontrol。
47、本专利技术的有益效果是：
48、1.针对复杂的风帆推力特性预报过程，本专利技术以清晰的逻辑提供了一种标准化的翼型风帆单帆推力特性评估流程及方法，可针对给定的具有一定气动力特性的风帆装置对船舶产生的最大推力效果进行预报。
49、2.本专利技术基于最大推力效果制定的最优风帆控制转角，可用于指导实船控制策略设计及实船应用。
50、3.本
技术实现思路
准确识别影响风帆推力特性的因素，经回归分析得到相对风向角间隔取为1.0°，相对风帆转角间隔取为1.0°，如此可实现准确高效的推力特性预报，满足工程预报需求。
51、4.本专利技术提供的风帆装置推力预报方法，可在帆面设计阶段对风帆推力特性进行评估，为不同帆型之间推力特性性能评估、翼型优化选择提供了基础。
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1.一种风帆助推船舶单帆推力特性预报及转角控制方法，其特征在于，具体方法如下：
【技术特征摘要】
1.一种风帆助推船舶单帆推力特性预报及转...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓玲，王硕，侯玉品，陈立，刘闯，李文贺，李堃，牟宗宝，片成荣，张祺，李薇，郝佳姝，王艳妮，吴楠，
申请(专利权)人：大连船舶重工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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