本發(fā)明涉及船舶與海洋工程領(lǐng)域，具體地說(shuō)是指一種基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

M船型是國(guó)際上近10多年來(lái)研究開(kāi)發(fā)的一種耐波性?xún)?yōu)良的船型，這種船型是為減輕和避免高速游船所產(chǎn)生的波浪對(duì)河堤造成沖刷與破壞而發(fā)展起來(lái)的一種消波船型。由于它的底部形狀呈M型故得此名。在這種船型的基礎(chǔ)上，美國(guó)圣迭戈M船公司經(jīng)過(guò)線性?xún)?yōu)化和對(duì)消波效果的進(jìn)一步改進(jìn)，將其發(fā)展為一種M型槽道滑行艇。但因?yàn)榧夹g(shù)秘密的緣故，M型高速槽道滑行艇的文獻(xiàn)資料比較稀少，設(shè)計(jì)的核心技術(shù)也未公布。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究相對(duì)空白，主要是趙連恩、謝永和編著的《高性能船舶原理與設(shè)計(jì)》較為詳盡地論述了M型高速槽道滑行艇。當(dāng)今，高速性與耐波性的綜合效果越來(lái)越受重視，節(jié)能效果也成為企業(yè)的一項(xiàng)重要考慮因素。

然而傳統(tǒng)的M船型在低速階段并不具有更為優(yōu)良的阻力性能，而且在較廣的工況范圍內(nèi)，綜合阻力效果并未達(dá)到滿(mǎn)意效果。同時(shí)，單一船型優(yōu)化改造存在著節(jié)能效果較低的特點(diǎn)，在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展下，已接近其改造極限。

針對(duì)當(dāng)前能源日益緊張、環(huán)保要求不斷嚴(yán)苛的現(xiàn)狀，本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切需要一種在船舶多航行工況下，阻力性能優(yōu)良的船舶。現(xiàn)今單一船型或單一設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)，因其大多僅能在單一設(shè)計(jì)工況下實(shí)現(xiàn)減阻，對(duì)于多工況船舶航行時(shí)不可避免的非設(shè)計(jì)工況下，阻力值反而可能增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)M船型在多工況船舶航行時(shí)阻力性能不佳的問(wèn)題，而提出的一種減少燃油的消耗和污染性氣體的排放，大幅提高船舶續(xù)航能力的基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)及控制方法，利用M船型與氣泡減阻復(fù)合船型相配合的方式，通過(guò)測(cè)量速度實(shí)時(shí)響應(yīng)，智能動(dòng)態(tài)調(diào)整氣泡發(fā)生裝置各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而改變噴氣狀態(tài)，如氣泡大小、單位時(shí)間噴氣量等，最終達(dá)到最優(yōu)的減阻效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能低耗的目標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)，其特殊之處在于：，包括GPS測(cè)速計(jì)、控制單元、空氣壓縮機(jī)、氣閥和多孔氣泡切換裝置；

所述GPS測(cè)速計(jì)用于采集M船型的實(shí)時(shí)速度并傳送至控制單元；

所述控制單元用于根據(jù)實(shí)時(shí)速度計(jì)算最佳噴氣量與最佳氣泡直徑，并向空氣壓縮機(jī)和氣閥發(fā)出最佳噴氣量指令，向多孔氣泡切換裝置發(fā)出最佳氣泡直徑指令；

所述空氣壓縮機(jī)用于根據(jù)最佳噴氣量指令調(diào)節(jié)向氣閥傳送壓縮空氣的體積；

所述氣閥用于根據(jù)最佳噴氣量指令調(diào)節(jié)開(kāi)度；

所述氣孔大小調(diào)節(jié)裝置包括水平設(shè)置于船底中部的噴氣板組，所述噴氣板組包括若干個(gè)不同孔徑的噴氣板，所述氣孔大小調(diào)節(jié)裝置用于根據(jù)最佳氣泡直徑指令推出相應(yīng)孔徑的噴氣板，使所述氣閥噴出的氣體形成相應(yīng)直徑的氣泡。

進(jìn)一步地，所述多孔氣泡切換裝置還包括與噴氣板數(shù)量相同的電力推桿，每個(gè)所述電力推桿的輸入端均與控制單元連接、驅(qū)動(dòng)端與一個(gè)噴氣板連接，所述控制單元根據(jù)最佳氣泡直徑指令通過(guò)控制電力推桿水平推出相應(yīng)孔徑的噴氣板，并通過(guò)控制電力推桿收回其他孔徑的噴氣板。噴氣板組中的各噴氣板按照孔徑從大到小的順序從甲板到船底方向依次放置，控制單元控制電力推桿水平推出相應(yīng)孔徑的噴氣板，同時(shí)收回其他孔徑的噴氣板。

更進(jìn)一步地，還包括空氣流量計(jì)，所述空氣流量計(jì)用于采集氣閥的實(shí)時(shí)噴氣量并傳送至控制單元?？刂茊卧鶕?jù)最佳噴氣量-速度曲線模型計(jì)算出船舶在一定航速下航行時(shí)的最優(yōu)噴氣量，并將數(shù)據(jù)傳遞給氣閥，通過(guò)氣閥調(diào)節(jié)，使得噴氣量最終穩(wěn)定在最佳噴氣量附近，其效果通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置——靶式空氣流量計(jì)來(lái)測(cè)定?？諝饬髁坑?jì)采用靶式空氣流量計(jì)，此種新型電容式力傳感器作為測(cè)量和敏感傳遞元件是一款適用于高粘度、低雷諾數(shù)及含有微小顆粒的流體和氣體測(cè)量的智能流量計(jì)。采用電容式力傳感器實(shí)現(xiàn)了本控制系統(tǒng)的高精度和高穩(wěn)定性。

更進(jìn)一步地，所述多孔氣泡切換裝置為兩套，對(duì)稱(chēng)設(shè)置于M船型底面中部，可方便靈活地根據(jù)所接受控制指令來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)噴出氣泡的大小，且裝置簡(jiǎn)易，可使用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行組裝改造；同時(shí)采用對(duì)稱(chēng)布置的方式，使得裝置大小與其占據(jù)船體內(nèi)部空間均在較小的范圍內(nèi)。綜上所述，此套裝置具有占據(jù)空間小、簡(jiǎn)易方便、靈活性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的調(diào)節(jié)氣泡大小到最佳尺度。

更進(jìn)一步地，還包括與所述空氣壓縮機(jī)連接的儲(chǔ)氣罐。為提高供氣裝置的容錯(cuò)率，復(fù)合節(jié)能船舶的供氣裝置部分還備有儲(chǔ)氣罐。儲(chǔ)氣罐供氣能夠方便的控制氣體流量與壓力，使氣流比較平穩(wěn)，避免氣流不穩(wěn)定性帶來(lái)的脈動(dòng)，方便控制氣體流量與噴氣壓力。

更進(jìn)一步地，所述噴氣板的孔徑范圍為0.05～0.5mm。因?yàn)闅馀荽笮〉扔趪姎獍鍤饪状笮?，因此選用4個(gè)孔徑為0.05～0.5mm的多孔噴氣板，將使得氣泡大小在此范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng)調(diào)節(jié)。噴氣過(guò)程中，氣體在壓力的作用下經(jīng)多孔材料的空隙流出形成微氣泡，并在來(lái)流的影響下沿順流方向覆蓋船底表面，因此采用此種多孔噴氣板將能夠使得噴氣簡(jiǎn)易便捷且達(dá)到理想的均勻覆蓋船體，減小阻力的效果。

一種基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制方法，其特殊之處在于，所述方法包括如下步驟：

1)采集M船型的實(shí)時(shí)速度V；

2)將所述實(shí)時(shí)速度V代入最佳噴氣量-速度曲線模型，得到最佳噴氣量Q；

3)根據(jù)所述實(shí)時(shí)速度V計(jì)算傅汝德數(shù)Fr，并根據(jù)所述傅汝德數(shù)Fr的值得到最佳氣泡直徑；

4)根據(jù)所述最佳氣泡直徑和最佳噴氣量在M船型底部形成相應(yīng)直徑的氣泡。

優(yōu)選地，所述步驟2)中，最佳噴氣量-速度曲線模型為Q＝3.116*Ln(V)+6.48。

優(yōu)選地，所述步驟3)中，傅汝德數(shù)Fr的計(jì)算方法為：

Fr＝V/(重力加速度*船體長(zhǎng)度)^0.5；

所述傅汝德數(shù)Fr的值與最佳氣泡直徑成正比。

優(yōu)選地，所述步驟1)中還包括中采集實(shí)時(shí)噴氣量Q1，然后將測(cè)量得到的所述實(shí)時(shí)噴氣量Q₁與步驟2)中計(jì)算得到的最佳噴氣量Q相比較，通過(guò)調(diào)節(jié)最佳噴氣量Q以使得測(cè)量值與計(jì)算值相等，從而達(dá)到最佳減阻效果。

本發(fā)明將氣泡減阻裝置與M船型結(jié)合，起到很好的減阻效果，其減阻原理圖如圖5所示，裸船體阻力可分為粘性阻力成分和興波阻力成分，氣泡減阻可有效減小復(fù)合船舶的粘性阻力成分，同時(shí)M船型因自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)興波阻力大為減小，不僅如此，由于氣泡隨水流流向后方，在槽道內(nèi)部與M船型所壓縮的氣液混合物相遇，使得尾部壓強(qiáng)進(jìn)一步增大，流體動(dòng)升力提升，船體抬升，總阻力減小。復(fù)合船型行駛時(shí)，GPS測(cè)速儀測(cè)得實(shí)時(shí)船速，空氣流量計(jì)測(cè)得實(shí)時(shí)排氣量，將信息反饋回控制單元，控制單元進(jìn)行計(jì)算，得出最佳氣泡噴出狀態(tài)(氣泡大小、噴氣量等)，并將指令輸入各控制部分，進(jìn)行調(diào)節(jié)。最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的阻力性能，持久的續(xù)航力，節(jié)能減排。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)氣泡減阻與M船復(fù)合的船型自身可在不同航速狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整，使減阻率達(dá)到良好減阻效果，從而大大減小了能耗，減少了船舶污染的排放，降低了船舶的航行成本。該復(fù)合船型的這種高效的減阻能力可被廣泛的應(yīng)用在所航行的船舶上，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值。(2)搭載不同的上層建筑，可起到自身不同的優(yōu)良性能，從而滿(mǎn)足不同的個(gè)性化需求。例如使用該復(fù)合船型的搜救艇，即使在惡劣的環(huán)境下，憑借其自身優(yōu)良的性能，也能以高航速、平穩(wěn)地到達(dá)遇難海域進(jìn)行搜救任務(wù)。(3)可在高速航行范圍內(nèi)，根據(jù)不同船舶不同航行速度的需求，得出與速度最佳配合數(shù)值關(guān)系，智能調(diào)控氣泡的大小、噴氣量等相關(guān)因素，實(shí)現(xiàn)在多工況下良好的阻力性能，減少燃油的消耗，污染性氣體的排放，大大提高船舶的續(xù)航能力，進(jìn)而對(duì)于船舶在變工況下高速航行有很大的研究?jī)r(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中多孔氣泡切換裝置中噴氣板與電力推桿連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為控制流程圖；

圖5為減阻原理圖；

圖6為噴氣量與無(wú)因次阻力系數(shù)關(guān)系圖；

圖7為最佳噴氣量-速度曲線圖。

圖中：GPS測(cè)速計(jì)1，空氣流量計(jì)2，控制單元3，空氣壓縮機(jī)4，氣閥5，多孔氣泡切換裝置6(其中：噴氣板6-1，電力推桿6-2，驅(qū)動(dòng)電機(jī)6-21，套筒6-22，連桿6-23)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1～4所示，本發(fā)明一種基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)，包括GPS測(cè)速計(jì)1、空氣流量計(jì)2、控制單元3、空氣壓縮機(jī)4、氣閥5和多孔氣泡切換裝置6。

GPS測(cè)速計(jì)1用于采集M船型的實(shí)時(shí)速度并傳送至控制單元3。GPS測(cè)速通過(guò)安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的GPS接收器獲取GPS信號(hào)從而得到運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)速度。本發(fā)明采用的GPS測(cè)速儀1是利用載波相位實(shí)時(shí)差分獲得多普勒觀測(cè)值來(lái)計(jì)算M船型的速度，測(cè)速精度為0.03m/s，滿(mǎn)足本發(fā)明的精度要求。

空氣流量計(jì)2用于采集氣閥5的實(shí)時(shí)噴氣量并傳送至控制單元3。當(dāng)氣閥5噴出的氣體流經(jīng)靶式空氣流量計(jì)2的測(cè)量管時(shí)，因氣體自身的動(dòng)能與靶板產(chǎn)生壓力差，而產(chǎn)生對(duì)靶板的作用力，使靶板產(chǎn)生微量的位移，其作用力的大小與氣體流速的平方成正比，靶板所受的作用力經(jīng)靶桿傳遞，使傳感器的彈性體產(chǎn)生微量變化，從而打破貼片電容組成的電橋平衡。產(chǎn)生與流量在靶板上作用力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)：由流體流量特征的影響，流量與電橋產(chǎn)生的電壓的平方成正比，將電壓信號(hào)傳遞給控制單元3。

控制單元3用于根據(jù)實(shí)時(shí)速度計(jì)算最佳噴氣量與最佳氣泡直徑，并向空氣壓縮機(jī)4和氣閥5發(fā)出最佳噴氣量指令，向多孔氣泡切換裝置6發(fā)出最佳氣泡直徑指令?？刂茊卧?根據(jù)前期實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合數(shù)值模擬，得出為實(shí)現(xiàn)阻力性能的最優(yōu)化，氣泡的大小、噴氣量等相關(guān)因素與速度的數(shù)值關(guān)系。利用這些信息編寫(xiě)中心控制部分的算法，實(shí)現(xiàn)軟件控制部分。控制單元3將GPS測(cè)速儀1測(cè)得實(shí)時(shí)船速，空氣流量計(jì)2測(cè)得實(shí)時(shí)排氣量的信息進(jìn)行綜合、分析，得出最佳氣泡噴出狀態(tài)(氣泡大小、噴氣量等)。然后將相關(guān)的指令分別傳遞給空氣壓縮機(jī)4、氣閥5、多孔噴氣板組切換裝置6。

空氣壓縮機(jī)4用于根據(jù)最佳噴氣量指令調(diào)節(jié)向氣閥5傳送壓縮空氣的體積。本復(fù)合船型的供氣源部分將結(jié)合M船型首端呈有利于捕捉空氣的喇叭狀的特點(diǎn)，采用空氣壓縮機(jī)4抽取被捕捉到槽道內(nèi)部較大進(jìn)氣量的空氣，來(lái)對(duì)氣泡減阻裝置進(jìn)行供氣。為提高供氣裝置的容錯(cuò)率，復(fù)合節(jié)能船舶的供氣裝置部分還備有儲(chǔ)氣罐。

氣閥5用于根據(jù)最佳噴氣量指令調(diào)節(jié)開(kāi)度。本發(fā)明噴氣量控制采用電動(dòng)流量控制閥，空氣流量計(jì)2安裝在氣閥5與噴氣板6-3的進(jìn)氣口之間用于測(cè)量流量，并傳遞信號(hào)給控制單元3來(lái)調(diào)節(jié)氣流控制閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)單位時(shí)間噴氣量的控制。

氣孔大小調(diào)節(jié)裝置6包括水平設(shè)置于船底中部的噴氣板組，噴氣板組包括若干個(gè)不同孔徑的噴氣板6-1、與噴氣板6-1數(shù)量相同的電力推桿6-2。電力推桿6-2包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)6-21、套筒6-22和連桿6-23，驅(qū)動(dòng)電機(jī)6-21的輸入端與控制單元3連接，驅(qū)動(dòng)端與位于套筒6-22內(nèi)部的連桿6-23的一端連接，連桿6-23的另一端與噴氣板6-1連接。當(dāng)某個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)6-21根據(jù)到控制單元3的指令時(shí)驅(qū)動(dòng)連桿6-23伸出或者縮回套筒6-22?？刂茊卧?根據(jù)最佳氣泡直徑指令通過(guò)控制電力推桿6-2水平推出相應(yīng)孔徑的噴氣板6-1，并通過(guò)控制電力推桿6-2收回其他孔徑的噴氣板6-1，使氣閥5噴出的氣體形成相應(yīng)直徑的氣泡。本實(shí)施例中采用四個(gè)噴氣板6-1，由上至下(由甲板向船底方向)噴氣孔的孔徑依次為0.4mm、0.2mm、0.1mm和0.05mm。氣孔大小調(diào)節(jié)裝置6在船底左、右兩面各設(shè)置一套，即氣泡從此位置從兩處噴出，與船體接觸處即為噴氣板6-1位置，適合航速的最佳孔徑噴氣板6-1由此推出，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氣泡大小的目的。

利用上述基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)的測(cè)試方法，包括如下步驟，其控制原理如圖4所示：

1)GPS測(cè)速計(jì)1采集M船型的實(shí)時(shí)速度V傳送至控制單元3，空氣流量計(jì)2采集實(shí)時(shí)噴氣量Q₁傳送至控制單元3；

2)控制單元3將實(shí)時(shí)速度V代入最佳噴氣量-速度曲線模型，得到最佳噴氣量Q。最佳噴氣量-速度曲線模型為Q＝3.116*Ln(V)+6.48。

3)控制單元3根據(jù)實(shí)時(shí)速度V計(jì)算傅汝德數(shù)Fr，并根據(jù)傅汝德數(shù)Fr的值得到最佳氣泡直徑。傅汝德數(shù)Fr的計(jì)算方法為

Fr＝V/(重力加速度*船體長(zhǎng)度)^0.5。

傅汝德數(shù)Fr的值與最佳氣泡直徑成正比。當(dāng)傅汝德數(shù)滿(mǎn)足0＜Fr≤1.0時(shí)，最佳氣泡直徑為0.05mm，選擇孔徑最小的0.05mm噴氣板6-1；當(dāng)傅汝德數(shù)滿(mǎn)足1.0＜Fr≤3.0時(shí)，最佳氣泡直徑為0.1mm，選擇直徑為0.1mm的噴氣板6-1；當(dāng)傅汝德數(shù)滿(mǎn)足3.0＜Fr≤4.0時(shí)，為最佳氣泡直徑為0.2mm，選擇直徑為0.2mm的噴氣板6-1；當(dāng)傅汝德數(shù)滿(mǎn)足Fr＞4.0時(shí)，為最佳氣泡直徑為0.4mm，選擇最大孔徑的0.4mm噴氣板6-1。

4)控制單元3向空氣壓縮機(jī)4和氣閥5發(fā)出最佳噴氣量指令，向多孔氣泡切換裝置6發(fā)出最佳氣泡直徑指令；空氣壓縮機(jī)4根據(jù)最佳噴氣量指令調(diào)節(jié)向氣閥5傳送壓縮空氣的體積；氣閥5根據(jù)最佳噴氣量指令調(diào)節(jié)開(kāi)度；氣孔大小調(diào)節(jié)裝置6根據(jù)最佳氣泡直徑指令推出相應(yīng)孔徑的噴氣板6-2，使氣閥5噴出的氣體形成相應(yīng)直徑的氣泡。控制單元3將測(cè)量所得的實(shí)時(shí)噴氣量Q₁與計(jì)算所得的最佳噴氣量Q相比較，若測(cè)量值不等于計(jì)算值，則需要調(diào)節(jié)最佳噴氣量Q并發(fā)送最佳噴氣量指令給氣閥5，以期使得測(cè)量值與計(jì)算值相等，從而達(dá)到最佳減阻效果。

本發(fā)明以ANSYS-FLUENT流體計(jì)算軟件為平臺(tái)，進(jìn)行了氣泡噴射參數(shù)對(duì)復(fù)合船型阻力的影響研究，包括氣泡噴射位置、氣泡噴射量等，論證復(fù)合船型的減阻效果。對(duì)于不同航速所建立的不同模型，在同一噴氣位置設(shè)置不同的噴氣速度，進(jìn)行無(wú)因次阻力系數(shù)的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得無(wú)因次阻力系數(shù)，繪制噴氣量與無(wú)因次阻力系數(shù)關(guān)系圖，如圖6所示，進(jìn)一步分析得到單位時(shí)間內(nèi)噴氣量與減阻率的關(guān)系。根據(jù)所得噴氣量與無(wú)因次阻力系數(shù)關(guān)系曲線，考慮到噴氣量達(dá)到一定程度時(shí)，減阻效率并未有明顯提升，且對(duì)于裝置能耗將會(huì)增加，因此選取各速度下減阻效果趨于平緩的點(diǎn)做出最佳噴氣量-速度曲線。如圖7所示。

本發(fā)明通過(guò)船模試驗(yàn)(將基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)安裝于M型船模上)，進(jìn)行在噴氣狀態(tài)下與未噴氣狀態(tài)下的拖曳船模阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，船模通過(guò)阻力儀與拖車(chē)相連，拖車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)船模在水中運(yùn)動(dòng)，拖車(chē)的速度即為船模的速度，當(dāng)速度穩(wěn)定后，通過(guò)采集系統(tǒng)將阻力儀的電信號(hào)收集起來(lái)并轉(zhuǎn)化成模型阻力值。通過(guò)對(duì)安裝基于氣泡減阻與M船型復(fù)合的智能控制系統(tǒng)后的阻力性能進(jìn)行了測(cè)量，與未安裝時(shí)進(jìn)行對(duì)比，顯示其減阻性能。研究結(jié)果表明，同一航速下，隨著噴氣速度的增加，無(wú)因次阻力系數(shù)不斷降低，即單位時(shí)間內(nèi)噴氣量越大，總船體阻力越小；當(dāng)噴氣速度達(dá)到一定值后，減阻效果不再顯著，符合預(yù)期。表明氣泡減阻與M船型的結(jié)合能夠有效地減少總阻力，具有較好的節(jié)能減排效果。

本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。