预报船舶在波浪中航行时相对运动的一个实用模型
舰船运动的拓扑预测模型
舰船运动的拓扑预测模型随着人类社会和科学技术的日益发展，航海船舶在经济和军事领域中扮演着越来越重要的角色。
在现代化的海上交通中，保证舰船航行的安全性和效率性成为了一个关键问题。
而船舶的运动状态是影响其安全性和效率性的重要因素之一。
舰船的运动可以通过运动规律和运动模式来描述。
而在复杂多变的海洋环境中，预测舰船的运动状态成为了一个难点问题。
然而，近年来的研究表明，应用拓扑预测模型可以有效地预测舰船的运动状态。
在拓扑预测模型中，将舰船将其看作是一个时变动力系统，其运动可以通过演化方程进行描述，如下所示：x(t+1) = F(x(t),u(t))其中，x(t)和u(t)分别表示舰船在时刻t的状态变量和输入变量。
F是演化方程，用于描述舰船状态的下一个时刻的状态变量。
拓扑预测模型使用动态符号学 (DS) 技术，将动态系统的时间序列数据映射到符号序列上，从而描述系统的运动特性。
在使用拓扑预测模型预测舰船运动的过程中，首先需要对运动数据进行采集和处理，并将其变换为符号序列。
然后，通过基于模型的时间序列分析方法，可以获得动态系统的拓扑特性，如相空间结构和流形结构等。
通过对舰船运动的拓扑特性进行分析和研究，可以有效地预测舰船的运动状态。
根据预测结果，可以采取相应的措施，如调整船速、航向或航线等，从而确保舰船的安全和效率。
除了舰船运动预测外，拓扑预测模型在其他领域的预测中也有广泛的应用。
例如，可以预测气象、流体力学、金融市场等动态系统的运动状态。
总之，舰船运动的拓扑预测模型具有实际应用价值，对于提高海上交通的安全性和效率性有着重要的作用。
在未来，航海科技将会越来越发达，拓扑预测模型也将有更广泛的应用前景。
船舶操纵运动的一种实用预报方法
船舶操纵运动的一种实用预报方法
张潞怡;董国祥
【期刊名称】《船舶》
【年(卷),期】1996(000)002
【摘要】本文利用别尔舍茨所统计的船体操纵水动力的诺谟图进行了多元回归分析，给出了估算船体操纵水动力的简单、可靠而实用的方法。
并且利用该回归公式预报了船舶在在无限水域中的操纵运动。
计算结果良好，说明该方法很实用，适用于工程设计。
【总页数】1页(P9)
【作者】张潞怡;董国祥
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】U675.91
【相关文献】
1.一种分解策略的船舶横摇运动姿态在线预报方法 [J], 杨震;王岩;原新
2.一种基于参数估计的自适应舰船运动预报方法 [J], 张艳;李世鹏;荣晶晶;张仲毅
3.一种新型的船舶横摇运动实时预报方法 [J], 徐培;金鸿章;王科俊;阎立涛
4.预报高速艇螺旋桨压力面空蚀的一种实用估算方法 [J], 李国佩
5.一种简单实用的超短期负荷预报方法 [J], 汪峰;谢开;于尔铿;刘国琪;王满义
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波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析
波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【摘要】为研究肥大型船舶在波浪中的运动与增阻问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论建立了数值波浪水池,并结合重叠网格方法对KVLCC2迎浪航行进行了模拟研究.文中计算了Fn=0.142时KVL-CC2船模在不同频率遭遇波作用下的运动和阻力,采用傅里叶级数展开法分析获得垂荡、纵摇运动响应和阻力值,将船模在波浪中航行受到的阻力减去静水航行阻力,获得了不同频率下的阻力增加值,将运动与阻力增加值与相关实验结果比较,吻合良好.通过对Fn=0.142时KVLCC2在波浪增阻成分进行的分析,与相关势流理论计算结果及实验结果对比,研究表明:短波增阻主要由船体绕射贡献,同时表明CFD方法计算船舶在波浪上的运动和增阻的可靠性.%The motions of KVLCC2 advancing at Fn=0.142 in head waves have been simulated by implementing a numerical wave tank and an overset mesh method based on computational fluid dynamics (CFD) to study the mo-tions and added resistance of a ship possessing a big block coefficient in waves.The numerical results of heave, pitch, and resistance were analyzed using the Fourier series, and the added resistance due to waves was determined by the resistance of the ship to the waves after subtracting the resistance of the ship in unperturbed water.The re-sults of the computation and the related model test of the added wave resistance were inagreement.Furthermore, the components of added resistance due to different causes were investigated and the results that were calculated u-sing CFD were compared to the results calculated by the strip method andthe model test.This indicates that the added resistance of the ship to short-waves was mainly induced by ship diffraction.Further, CFD can be used to accurately calculate the ship motion and the added wave resistance.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】8页(P1828-1835)【关键词】重叠网格;KVLCC2;傅里叶级数;垂荡运动;纵摇运动;波浪增阻;CFD方法;数值波浪水池【作者】曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在波浪上的运动与阻力增加一直是船舶与海洋工程领域研究的热点，准确预报船舶在波浪上的运动是船舶在水上航行、作业安全性和舒适性的基础，船舶波浪增阻在船型优化乃至航线优化问题中是经济性的重要参数指标。
船载S波段雷达多普勒谱模型
船载S波段雷达多普勒谱模型船载S波段雷达多普勒谱模型是用来描述海浪对船舶的运动造成的多普勒效应的数学模型。
多普勒效应是指物体在移动时发出的频率与接收端接收到的频率不同的现象。
在海洋测量领域中，船体受到海浪的作用会使信号的频率发生变化，这种变化就是多普勒效应。
船载S波段雷达多普勒谱模型主要是用来计算海浪的多普勒效应对雷达船的回波频谱的影响。
船载S波段雷达多普勒谱模型的基础是多普勒效应公式，该公式描述了物体在运动过程中，接收到的频率与发射时的频率之间的关系。
在海洋测量中，多普勒效应公式可以表示为：f = fc(1+V/c)其中f是接收到的频率，fc是发射时的频率，V是物体在垂直于接收器方向上的相对速度，c是光速。
基于多普勒效应公式，船载S波段雷达多普勒谱模型可以表示为：S(f) = σ(w) * G(f, w)其中S(f)是雷达回波频谱，σ(w)是海洋波谱，G(f, w)是雷达接收函数。
海洋波谱是描述海浪频率谱分布的函数，它可以看作是一个描述海洋波浪分布的能量谱函数。
在船载S波段雷达多普勒谱模型中，海洋波谱σ(w)可以表示为：σ(w) = A * w^-5exp(-Bw^-4)其中A和B是系数，w是波长。
雷达接收函数G(f, w)是描述雷达接收能力的函数，它包括两个部分：雷达天线指向对角线和接收器响应函数。
在船载S波段雷达多普勒谱模型中，雷达接收函数G(f, w)可以表示为：G(f, w) = (1 + cos^2θ) / (2√2πσ_fr)exp(-[f - (fc + 2Vcosθ/c)]^2/2σ_fr^2)其中θ是雷达与波向之间的角度，σ_fr是雷达的带宽，fc是雷达发射的频率。
该函数可以描述雷达在不同波向下的接收能力，同时也考虑到了雷达带宽的影响。
综上所述，船载S波段雷达多普勒谱模型是一个基于多普勒效应公式、海洋波谱和雷达接收函数的数学模型。
它可以用来计算海浪对雷达回波频谱的影响，以提高海洋测量和航海安全性能的能力。
船舶在波浪中的运动-ch1_引论
11
§1.1
概述
——波浪中的运动
风浪下的船舶运动 摇荡运动（oscillation）; 摇荡运动之动态效应：
速度、加速度、晕船；
增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）； 飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）; 首底砰击（Slamming）； 舱液晃荡（sloshing）等。
概述
——环境载荷
我国近海具有明显的季风特征，总体海况趋势： 冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。 平均风速：4 ～ 12 m/s。 平均波高：0.8 ～ 1.8m(风浪)、1.2 ～ 2.5m(涌浪)。 恶劣的北海： 60%的时间里有义波高大于2m，最大波高30m以上，极 端海况下的波浪周期为15～20s，很少低于4s，风速上限40 ～ 45m/s。
评估等模块，成为业界认可和广泛使用的商用专业软件，具有不同水深环境下 的固定浮体、系泊浮体和自由浮体水动力载荷及其动力响应分析的一般功能， 以及海洋工程生产系统集成设计、管理与效益和风险评估的基本功能。
主要模块及功能：
①Strength assessment of fixed structures.
MODULES: Hull Integrity、Structure Integrity、Plant Integrity、Pipeline Integrity、Riser Integrity、Risk
Based Inspection
Theory of Ship Motions in Waves
21
§1.2 船舶运动预报解决方案概
6
§1.1
概述
航道工程设计中的航运与波浪模型
航道工程设计中的航运与波浪模型航道工程是一门综合性极强的学科，旨在设计、建设和维护水上交通运输所需的各类设施。
在航道工程设计过程中，除了考虑到水深、流速、水动力等因素外，航运与波浪模型也是一个关键的考虑因素。
航运模型是以船舶为研究对象，分析和模拟船舶在航行中的动力学性能、操纵特性以及与航道环境相互作用的模型。
通过航运模型，可以预测船舶在特定航道条件下的运动特性，为航道工程设计提供准确可靠的数据依据。
在航运模型研究中，常使用的方法有船模试验和数值模拟两种。
船模试验是通过制作船舶的物理模型，在模型航行水池中进行各种测试和试验的方法。
通过船模试验，可以获取船舶的阻力、操纵性能、补偿因子等数据，从而优化航道布局和测量、计算航道及港口工程施工等。
船模试验的优点是可以直观地观察船舶的运动情况，并能够获得大量真实可靠的数据。
然而，船模试验的局限性在于成本较高，时间周期较长，并且可能受到实验条件以及船模与实际船舶之间的尺度效应影响。
除了船模试验外，数值模拟也是航运模型研究的重要方法之一。
数值模拟利用计算机软件对船舶在特定航道条件下的运动进行仿真，通过数学模型和物理方程的计算，得出船舶在不同水动力条件下的运动特性。
数值模拟的优点在于成本较低、周期较短，并且可以对不同参数进行灵活的调整和优化。
然而，数值模拟的结果受到模型精度和参数选择等因素的影响，因此需要进行多次验证和修正，以确保结果的准确性。
波浪模型是研究波浪的生成、传播和变形等现象的模型。
在航道工程设计中，波浪模型的重要性不可忽视。
波浪对船舶的影响主要表现为运动稳性和航向控制的困难。
通过波浪模型的研究，可以分析预测波浪的特性、方向和高度，为船舶的航行安全提供保障。
波浪模型的研究方法主要有实测方法和理论模型两种。
实测方法是通过在海洋、湖泊等水域进行实际观测和记录波浪数据。
这种方法的优点在于真实可靠，能够获取到现实中实际存在的波浪情况。
然而，实测方法的缺点在于成本高、周期长，并且受到环境条件的限制。
船舶流体计算
船舶流体计算
船舶流体计算是指通过数学模型和计算方法来分析船体在水中的流体力学特性。
这项计算可以用来评估船舶的稳定性、阻力和推进力等参数，从而确定船舶的设计和操作。
以下是船舶流体计算的一些常见方法：
1. 阻力计算：使用雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）或光
滑片面近似理论（SST）等方法，计算船舶在水中移动时受到
的阻力。
这些方法可以通过求解速度、压力和湍流模型来获得阻力数据。
2. 稳定性计算：通过计算船体的形状和重心等参数，使用浮力和重力的平衡条件来评估船舶的稳定性。
这可以帮助设计师确定船舶的荷载和货物分配，并确保船舶在水中的平衡状态。
3. 推进力计算：通过计算螺旋桨或推进器的叶片和水流之间的相互作用，确定推进力和功率需求。
这可以帮助船舶操作员选择合适的推进设备和工作点，并优化船舶的能源效率。
4. 过波阻力计算：通过计算船舶在波浪中移动时所受到的阻力，评估船舶的航行性能和航速。
这可以帮助设计师优化船体的形状和船型，以减小波浪阻力和提高船舶的速度性能。
5. 动力学模拟：通过建立船舶的动力学模型，使用牛顿定律和运动方程来模拟船舶在不同操作条件下的运动轨迹。
这可以帮助船舶操作员进行航线规划和操纵决策，确保船舶的安全和航行效率。
以上仅列举了一些常见的船舶流体计算方法，实际中可能还存在其他更专业和复杂的计算方法，根据具体情况和需求选择合适的计算方法进行船舶流体计算。
船舶在风浪中航行的操纵运动数学模型
方 程 中的 Ｑ Ｘ为作 用在 船舶 上 的 力在 运动 坐 标 系的 Ｘ轴 上 的 投 影 ．Ｑ ｙ为 作用力在 Ｙ轴上 的投影 ．ＮＸ为力 矩在Ｘ轴上 的投 影 ． ＮＺ 为力矩 在ｚ轴 上的投影 ．Ｊ 为船 舶绕Ｘ轴 的转动惯量 ．Ｊ 为绕 Ｘ Ｘ Ｚ Ｚ ｚ轴的 转动惯量 ．ｋ 船舶 纵 向运动 牵连质量 系数 ．ｋ 为船舶 横 向 运 动 牵连质 量 系数 ．ｋ 为船 舶绕 Ｚ轴转 动牵连 转 动惯 性系数 ． ０ 究 其在 水平 面 内 的运 动 和 操 纵 控 制 问题 。建 立 船 舶 水 平 面 操 纵 为船 舶 横 倾 角 ． 为 艏 向 角 ． 为 角速 度 。 数 学模 型 的价 值 在 于 当进 行 舰 船 总 体 结 构 和 性 能 设 计 时 ，可 通 作 用力和 力矩 的计算 过 操纵 运 动 数学 仿 真 试 验 ，进 行 船 舶 操 纵 性 预 报 ：在 舰 船 操 纵 Ｑ ＝ｍ （ １＋ｋ ２ Ｖｖ ＋Ｘ ＋Ｔ＋ＸＲ ６ ｘ ） ２ Ｈ ＋Ｘ ＋Ｆ ： 控 制设 备 （ 自动 舵 、减 摇 鳍 等 ） 的设 计 时 ．通 过 仿 真 试 验 确定 操 Ｑ 一 ～ｍ （ ＋ｋ １Ｖ ＋Ｙ —Ｙ ＋Ｆ ： １ １） Ｈ Ｒ Ｙ （） ４ Ｎ ～ｍ ｇ 一 Ｊ ＝ ｈ０ 一 Ｍ — Ｍ ＋ Ｍ ＋ Ｍ ： Ｈ Ｒ ６ 纵 控制设备的控制规律及参数 。 Ｎｚ Ｍｚ — Ｍｚ ＋Ｍ ｚ ＋ Ｍｚ Ｈ Ｒ Ｔ 。 船 舶 在 风 浪 天 气航 行 时 ．航 向 将 出 现 不 停 的偏 摆 ．在 高 海 情 时 ．舵 力矩 远 不 足 以克 服 波 浪 的 干 扰 力 矩 ．在 操 舵 仪 自动 方 上式 中的Ｘ 、Ｙ 、Ｍ 、Ｍ 分别 表示作 用在船 上粘 滞水动 力 式 下 会 频 繁 操 舵 却 不 能 控 制 航 向 的摆 动 。 为 了消 除 这 种 ” 效 和 力 矩 的 在 运 动 坐 标 系相 应 坐标 轴 上 的 投 影 ．而 用 Ｘ 、Ｙ 、 无 Ｍ 舵 ” 目前正 在 研 究 引入 诸 如维 纳 滤 波器 、卡 尔 曼 滤波 器 、 渐近 Ｍ ． Ｘ 表示 转舵和 转鳍所 产生 的控 制力和力矩 在运动 坐标 观测 滤 波器 等 环 节 ，但 至 今 未 能 很 好 地 解 决 这 个 问 题 。 因 此 ， 系 相应 坐 标轴 上 的投 影 ．Ｔ表 示螺 旋 桨的 推力 ．Ｍ 表示 螺旋 桨 在 各种 滤波 技 术 研 究 及 仿 真 时 ，建 立 并 采 用 船 舶 在 风 浪 中 航 行 力矩 ．Ｆ 、Ｆ ．Ｍ 、Ｍ 表 示空气 、波 浪等外 干扰力 和力矩在 相应 的 操 纵 运 动 数 学 模 型 ．更 具 有 现 实意 义 。 坐标轴 上的投影 。 牵连 质量 幕薮和 牵连 转 动惯 量 幕薮 计算 船 舶 水 平 面操 纵 运 动 基 本 的 非 线性 数 学 模 型 式 中 牵连 质 量 和 转 动 惯 量 系数 由下 列 公 式 确 定 ： 基 本模 型 采 用８ 阶 非 线 性 微 分 方 程 表 征 船 舶 水 平 面 操 纵 运 船 舶 在 江 河 湖 海 中 航 行 ． 严 格 地 说 是 一 个 六 自 由 度 运 动 体 ，为 了简 化分 析 ．常将 其 分 解 为水 平 面 运 动 和 垂 直 面 运 动 ， 且 不 考 虑 两 者 的 运动 耦 合 关 系 。绝 大 多数 船 舶 对 垂 直 面 内的 升 沉 运动 和纵 摇运 动 没 有 控 制手 段 ． 因此 对 排 水 型 船 舶 目前 只 研