螺旋桨负载的仿真数据管理技术分析

刘梦觉，耿 鹏，梁树甜



螺旋桨负载的仿真数据管理技术分析

刘梦觉，耿 鹏，梁树甜

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

为确保电力推进系统能满足使用要求，通过仿真技术模拟真实的、复杂多变的螺旋桨负载来支持系统和设备的设计。对螺旋桨负载的数据管理是船桨模型开发和设计的主要技术支撑。通过螺旋桨负载数据管理，研究人员就可正确、迅速地对其设计方案的流体动力性能做出预报, 并与其他具有相近使命要求的模型方案作比较。

电力推进系统 螺旋桨负载 数据管理技术

0 序言

电力推进系统在船舶上的使用日益普及。为确保电力推进动力及系统能满足使用要求，一次成功装备舰船，在研究设计过程中要进行系统的试验验证,检验各设备的性能指标、设备与设备之间的匹配性、设备与系统间的协调一致性、系统与总体间接口的合理性等，以充分暴露、消除系统及所用设备存在的问题，保证系统技术状态良好。在电力推进系统试验过程中负载常采用水力测功机，对电力推进系统及其设备的功能、性能等要求进行测试，但水力测功机无法模拟或近似模拟出真实的、复杂多变的负载变化，从而无法充分测试中压交流电力推进系统。螺旋桨模拟负载根据拟定的负载曲线，控制四象限电动机输出相应负载，从而能模拟出更为真实的动、静态负载。螺旋桨负载仿真数据的管理是船桨模型开发和设计的主要技术支撑，通过螺旋桨负载仿真数据的管理系统, 测试者就可以更好的使用和分析船桨模型，并和其他方案进行对比，进而提高负载真实度和试验效率。在分析螺旋桨负载特性的计算机仿真数据功能需求的基础上，设计一套完整的螺旋桨负载的计算机仿真数据管理系统。

1 螺旋桨负载的仿真数据

对螺旋桨负载特性的仿真数据进行管理必须先对螺旋桨特性的数据进行分析。螺旋桨通常有桨径、伸张面积、盘面积、盘面比、螺距比、进程、前进速度、进速比等参数。螺旋桨推进时，还有推力、转矩、转速、重力、水阻力等数据。

外部环境对推力损失的影响，主要是螺旋桨与船体相互影响、螺旋桨之间的相互干扰以及波浪引起的推力损失等[1]。并且这些影响因素是同时存在的，只是随着环境或操作的改变，而使其各自占的影响程度不同，因此，很难精确的估计这些推力损失的具体数量，目前主要采用经验公式加分析模型的结合方式。通常，推力损失考虑下列影响：

1）对于定速旋转的螺旋桨，由于来流速度的变化，根据机翼理论，必然引起攻角的变化，从而引起螺旋桨的推力的波动。

2）横向流引起的推力损失。该种情况的损失主要是由于来流方向与螺旋桨的轴线垂直，从而导致螺旋桨的尾流像来流方向偏斜，因此相当于引起了推力损失[2]。

3）波浪引起的推力损失。当船舶在波浪中航行时，当螺旋桨的有效浸深变得很小和螺旋桨重载时，螺旋桨叶片上的压力降低，将引起空气吸入，而造成螺旋桨推力损失。同时还有螺旋桨部分或全部出水，“飞车”而产生的推力损失。由于波浪的随机性，现在对波浪引起的推力损失多采用谱分析理论方法，通过谱密度函数来描述产生的推力损失的严重程度。

4）推进器与船体干扰引起的推力损失（Coanda效应）。两个推进器推力减少并改变推力方向时，由于尾流与船底的摩擦阻力变化，而引起的推力损失[3]。

5）推进器之间的相互作用。如果没有采用预防措施，相邻的两个推进器之间由于彼此的尾流作用而产生非常大的推力减额[4]。

在DP或者航行模式下，主推进器可能会由于恶劣的海况导致螺旋桨吸气而造成推力损失。如果变频器运行在转矩或功率控制模式，这个瞬态波动将会减少和变得平滑。

对于以上的各种情况，能量管理系统（PMS）都必须进行有效的控制，保护发电设备以及保证能量供应的稳定性和连续性。PMS能够根据负载需求和控制模式，进行发电机组的自动启停，以保证实际的负载需求。

不同类型的损失的关系与螺旋桨和推进器的使用类型，船鳍和尾鳍的应用，以及船体设计和操作模式有关。

式中：n为螺旋桨转速，单位为r/s；

vp为螺旋桨的进速，单位为m/s；

vs为船舶的速度，单位为m/s；

ω为伴流系数；

D为螺旋桨直径，单位为m；

P为螺旋桨的推力，单位为N；

M为螺旋桨的转矩，单位为N·m；

ρ为海水的密度，单位为kg/m3，通常取1025 kg/m3。

通过上述的螺旋桨负载特性和船桨模型，我们了解到在试验负载模拟时，有大量参数需要设置，大量的仿真结果需要记录。这些数据如果使用手动记录，将十分繁琐，同时容易产出错误，不利于试验结论的得出。同时电力推进系统试验提供负载时，难以操作。因此需要建立一个完善的数据管理方法，对整个螺旋桨特性的计算机仿真参数和结果记录下来。

2 仿真数据的管理

螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库系统是对试验负载系统运行分析的重要基础，所以必须要求数据库系统运行安全、稳定可靠。

为此拟采取如下措施：

1）数据服务器冗余设计；

2）严格的用户认证体系，防止数据使用期间错误操作；

3）分层数据存储结构和有效的数据文件权限限制保护措施，保证数据安全准确；

4）采用模块化软件设计，各项功能模块相对独立，具备一定的容错能力，便于应急调整；

2.1整体设计

螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库及其管理系统的设计可分为软件和硬件两部分。

如图1，螺旋桨负载数据系统的硬件部分由冗余服务器、仿真计算机、数据管理计算机、试验负载控制计算机组成。仿真计算机读取船型、海况参数，生成对应的螺旋桨负载特性曲线，提供给试验使用。数据管理计算机实现对螺旋桨负载曲线和船型、海况等参数的管理。系统采用冗余服务器，所有数据双份存储，提高了系统的稳定性和数据的安全性[5]。

如图2，螺旋桨负载数据系统的软件部分由有船型参数数据库、海况参数数据库、负载曲线数据库、仿真软件、数据库管理系统组成。系统向试验负载软件提供负载数据的调用接口。

电力推进系统试验负载系统最终的目的是为电力推进系统的试验提供螺旋桨负载曲线，用于对电力推进系统设备的测试。

2.2负载特性

螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库设计主要考虑两个方面的要求：快速查询和稳定性。螺旋桨模拟系统中控制器通过查询数据库获取负载特性曲线，并根据负载特性曲线控制电动机输出负载，控制器对于负载特性曲线的获取方式可以采用两种方式：一次获取或多次获取。一次获取的方式是在模拟前查询数据库获取负载特性曲线并存储到本地存储器，模拟过程中从本地存储器上读取负载特性曲线信息，优点是对数据库查询响应时间要求低，缺点是对控制器的存储空间要求较高，且不易在线修改负载特性曲线；多次获取克服了一次获取缺点，但其缺点是对数据库查询响应时间要求高。螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库通过存储负载特性曲线上的采样点来近似存储负载特性曲线，因此，采样点越密集，存储的负载特性曲线的信息损失越小。采样点密集同时也造成单个负载特性曲线数据量大，进而造成整个数据库的数据量增大，大量的数据会造成数据查询响应时间的降低。在大量数据的情况下，通过设计更为合理的数据库结构、制定更为高效的查询优化策略等方式，来保证数据库查询响应时间满足螺旋桨模拟负载系统的要求，成为螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库设计技术研究研究重点之一。

通过对螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库的建立及可靠性研究来保证数据库的存储介质发生部分损坏时，数据不会受损，整个系统能正常运作。

2.3船型参数

从前文中，我们了解到船舶在前进的过程中会遇到外界阻力，其中很大一部分成都决定于船体本身和螺旋桨的特性。根据前文的分析，我们可以得到下列船体和螺旋桨特性将影响到裸船体阻力：

桨额定转速,桨直径,螺距比，桨叶数,盘面比,桨浸深，船舶排水量,船舶质量,附水系数,额定船速,船长,设计水线长,两柱间长,船宽,吃水,长宽比,吃水宽度比,方型系数,棱形系数,中剖面系数,水上正投面积，水上侧投面积，正航减额系数,倒航减额系数，湿表面积，浮心纵向位置。

建立船型参数数据库，将不同船型的船体和螺旋桨参数进行统一存储和管理，有利于仿真模型的使用，不必要每次仿真时都填写相关参数，节省每次仿真的时间。同时有利于不同船型的参数比较。用于分析船型对负载的影响，总结规律。提高螺旋桨负载特性的计算机仿真的实用性。

2.4海况参数

船舶在海中航行，除了船型本身，还会受到海况的影响。其中影响船舶航行的主要有这些参数：海水密度,空气密度,风压系数,绝对风速,风向角,波浪来向角度,水绝对流速,流的角度,水粘性系数

建立航行海况数据库，将不同海况的海水和空气参数进行统一存储和管理，有利于仿真模型的使用，不必要每次仿真时都填写相关参数，节省每次仿真的时间。同时有利于不同船型的参数比较。用于分析船型对负载的影响，总结规律。提高螺旋桨负载特性的计算机仿真的实用性。

2.5人机交互

数据的使用离不开人机交互界面，螺旋桨负载特性的计算机仿真数据库及其管理系统将提供两个部分的人机交互界面。一部分是通过MATLAB的GUI界面进行螺旋桨负载特性仿真使用，另一部分是螺旋桨负载特性的数据管理系统。

螺旋桨负载特性的数据管理系统，主要用于不同船型、海况参数的查询和对比。通过检索负载曲线数据，生成各种相关参数的关系。查询航速，转速，转矩，功率的变化规律和相互关系。

3 总结

本文依据当前船舶电力推进系统的发展形势和电力推进系统的试验需求，结合螺旋桨负载特性的仿真技术，提出了对仿真数据的一种管理方式。通过分析螺旋桨负载仿真的数据需求和数据输出，将数据管理分为负载特性曲线，船型参数、海况参数、人机交互界面四个部分，提出了数据库安全保障办法。有助于提高螺旋桨负载仿真数据的利用价值，提高仿真负载的真实性，便于对螺旋桨负载的仿真数据进行管理。对进行螺旋桨负载的数据管理管理具有很强的指导意义。

[1] 高海波.船舶电力推进系统的建模与仿真[D][博士学位论文].武汉：武汉理工大学，2008.

[2] 方萌，史涛，吴裴文．电力推进系统技术分析与评价方法[J]．船舶，2002.

[3] 范尚雍.船舶动力装置及仿真技术[M].上海:交通大学出版社，1993.

[4] 李殿璞.系列螺旋桨四象限特性Chebyshev多项式拟合结果及误差分析[R].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2000.

[5] Abraham Silberschatz. 数据库系统概念[M].机械工业出版社,2012.

Analysis of Simulation Data Management Technologies for Propeller Load

Liu Mengjue, Geng Peng, Liang Shutian

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM743

A

1003-4862（2016）05-0008-04

2015-12-09

刘梦觉（1989-），男，硕士。研究方向：船舶电力推进监控系统设计。