本發(fā)明涉及船舶風(fēng)帆控制，尤其涉及一種變截面風(fēng)帆運(yùn)行控制的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、隨著國(guó)際海事組織(international?maritime?organization，簡(jiǎn)稱(chēng)imo)一系列減排政策的制定實(shí)施，節(jié)能減排成為主流。然而綠色燃料發(fā)展仍受制于上游能源產(chǎn)業(yè)。在諸多節(jié)能減排產(chǎn)品中，風(fēng)力助推系統(tǒng)依靠完全清潔、來(lái)源廣泛、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，受到船東和供應(yīng)商廣泛重視。
2、目前船上應(yīng)用的風(fēng)帆包括天帆、轉(zhuǎn)筒帆、吸力帆及翼型風(fēng)帆等類(lèi)型的風(fēng)帆。其中，中國(guó)首創(chuàng)的翼型風(fēng)帆在超大型油輪上展現(xiàn)潛力，實(shí)現(xiàn)年均5-10％的油耗降低，可根據(jù)風(fēng)速、航向自動(dòng)調(diào)整翼型風(fēng)帆的攻角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)翼型風(fēng)帆的控制，突破傳統(tǒng)帆船對(duì)穩(wěn)定風(fēng)向的依賴。但是，由于翼型風(fēng)帆受到其自身幾何形狀的約束，氣動(dòng)性能在生產(chǎn)、安裝調(diào)試完成后已經(jīng)確定。在風(fēng)帆的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中若想獲取更多的風(fēng)帆助力，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)帆的攻角已無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能重新安裝一個(gè)更大的風(fēng)帆以迎合需求。然而，更大的風(fēng)帆必然會(huì)帶來(lái)一定程度的視野遮擋，同時(shí)也會(huì)面臨桅桿高度與港口限高、航運(yùn)通行之間的矛盾。因此，如何在變截面風(fēng)帆運(yùn)行過(guò)程中對(duì)變截面風(fēng)帆進(jìn)行控制以獲得更大的風(fēng)帆助力是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。
3、基于此，本說(shuō)明書(shū)提供一種變截面風(fēng)帆運(yùn)行控制的方法及系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決現(xiàn)有單體翼型提供的風(fēng)帆助力較低以及替換更大的風(fēng)帆帶來(lái)的視野遮擋的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種變截面風(fēng)帆運(yùn)行控制的方法及系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)包括前緣帆、主帆和后緣帆三段可調(diào)節(jié)翼型的風(fēng)帆，并根據(jù)風(fēng)向和航向，實(shí)時(shí)調(diào)整三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的運(yùn)行角度，從而改變整個(gè)風(fēng)帆的截面，優(yōu)化風(fēng)帆周?chē)臍鈩?dòng)流場(chǎng)，從而抑制流動(dòng)分離，進(jìn)而提升整個(gè)風(fēng)帆的風(fēng)帆助力。
2、本說(shuō)明書(shū)提供了一種變截面風(fēng)帆運(yùn)行控制的方法，包括：
3、s1：實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)：實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的風(fēng)向以及目標(biāo)船舶的航向；所述目標(biāo)船舶上裝載由三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆構(gòu)成的變截面風(fēng)帆，所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆包括前緣帆、主帆和后緣帆，所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的剖面為水平對(duì)稱(chēng)的幾何；
4、s2：基于航向和風(fēng)向確定最佳運(yùn)行角度：確定由所述風(fēng)向和所述航向構(gòu)成的目標(biāo)夾角的角度，并作為待查找角度；向基于數(shù)值模擬技術(shù)和所述變截面風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建的風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型輸入所述待查找角度，輸出匹配的所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度；所述風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型的輸出為：所述前緣帆、所述主帆和所述后緣帆的待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度；所述前緣帆的待調(diào)整角包括所述前緣帆的第一自轉(zhuǎn)角和第一公轉(zhuǎn)角，所述主帆的待調(diào)整角包括攻角，所述后緣帆的待調(diào)整角包括所述后緣帆的第二自轉(zhuǎn)角和第二公轉(zhuǎn)角；
5、s3：調(diào)整變截面風(fēng)帆的運(yùn)行角度：根據(jù)所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，分別調(diào)整所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的待調(diào)整角的運(yùn)行角度。
6、可選地，所述前緣帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括第一弦長(zhǎng)、第一自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、第一公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、第一最大厚度參數(shù)和所述前緣帆和所述主帆之間的第一間隙，所述第一自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)位于所述前緣帆的剖面中線上；
7、所述主帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括第二弦長(zhǎng)、第二自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、第二公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置和第二最大厚度參數(shù)，所述第二自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)和所述第二公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)位于所述主帆的剖面中線上；
8、所述后緣帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括第三弦長(zhǎng)、第三自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、第三最大厚度參數(shù)和所述后緣帆和所述主帆之間的第二間隙，所述第三自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)位于所述后緣帆的剖面中線上。
9、可選地，所述攻角為以所述主帆的所述第二自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)為頂點(diǎn)的所述主帆的剖面中線與所述風(fēng)向的夾角；
10、所述第一自轉(zhuǎn)角為以所述第一自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)為頂點(diǎn)的所述前緣帆的剖面中線與第一延長(zhǎng)線的夾角，所述第一延長(zhǎng)線為所述第一自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)和所述第一公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的連線的延長(zhǎng)線；
11、所述第一公轉(zhuǎn)角為以所述第一公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)為頂點(diǎn)的所述主帆的剖面中線與所述第一延長(zhǎng)線的夾角；
12、所述第二自轉(zhuǎn)角為以所述第三自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)為頂點(diǎn)的所述后緣帆的剖面中線與第二延長(zhǎng)線的夾角，所述第二延長(zhǎng)線為所述第二公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)與所述第三自轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)的連線的延長(zhǎng)線；
13、所述第二公轉(zhuǎn)角為以所述第二公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)為頂點(diǎn)的所述主帆的剖面中線與所述第二延長(zhǎng)線的夾角。
14、可選地，所述第一弦長(zhǎng)、所述第二弦長(zhǎng)和所述第三弦長(zhǎng)為根據(jù)所述目標(biāo)船舶的甲板上方的空間大小設(shè)置的。
15、可選地，所述s2中基于數(shù)值模擬技術(shù)和所述變截面風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型具體包括：
16、根據(jù)所述變截面風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定各待調(diào)整角；
17、確定每個(gè)待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的各角度取值，并根據(jù)所有角度取值，構(gòu)建各調(diào)整角度組，每個(gè)調(diào)整角度組包括每個(gè)待調(diào)整角度的一個(gè)角度取值；
18、基于數(shù)值模擬技術(shù)，確定在所述目標(biāo)夾角的每個(gè)第一角度下所述每個(gè)調(diào)整角度組對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；
19、根據(jù)確定出的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，分別確定所述每個(gè)第一角度對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)矩陣和阻力系數(shù)矩陣；
20、根據(jù)所述每個(gè)第一角度對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)矩陣和阻力系數(shù)矩陣，以最大化風(fēng)帆助力為目標(biāo)，計(jì)算在所述每個(gè)第一角度下所述每個(gè)待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度；
21、根據(jù)計(jì)算出的在所述每個(gè)第一角度下所述每個(gè)待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，構(gòu)建風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型。
22、可選地，所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、角度分析模塊以及風(fēng)帆控制模塊；其中：
23、所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的風(fēng)向以及目標(biāo)船舶的航向；所述目標(biāo)船舶上裝載由三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆構(gòu)成的變截面風(fēng)帆，所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆包括前緣帆、主帆和后緣帆，所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的剖面為水平對(duì)稱(chēng)的幾何；
24、所述角度分析模塊，用于確定由所述風(fēng)向和所述航向構(gòu)成的目標(biāo)夾角的角度，并作為待查找角度；向基于數(shù)值模擬技術(shù)和所述變截面風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建的風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型輸入所述待查找角度，輸出匹配的所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度；所述風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型的輸出為：所述前緣帆、所述主帆和所述后緣帆的待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度；所述前緣帆的待調(diào)整角包括所述前緣帆的第一自轉(zhuǎn)角和第一公轉(zhuǎn)角，所述主帆的待調(diào)整角包括攻角，所述后緣帆的待調(diào)整角包括所述后緣帆的第二自轉(zhuǎn)角和第二公轉(zhuǎn)角；
25、所述風(fēng)帆控制模塊，用于根據(jù)所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，分別調(diào)整所述三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的待調(diào)整角的運(yùn)行角度。
26、可選地，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括船舶數(shù)據(jù)采集子模塊和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子模塊；
27、所述船舶數(shù)據(jù)采集子模塊，用于基于目標(biāo)船舶上的采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前目標(biāo)船舶的航行信息，并確定所述航行信息中所述目標(biāo)船舶的航向；
28、所述風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子模塊，用于基于風(fēng)速儀，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前所述目標(biāo)船舶甲板上方風(fēng)場(chǎng)信息，并確定所述風(fēng)場(chǎng)信息中的風(fēng)向。
29、可選地，所述風(fēng)帆控制模塊包括前緣帆旋轉(zhuǎn)控制子模塊、主帆旋轉(zhuǎn)控制子模塊和后緣帆旋轉(zhuǎn)控制子模塊；
30、所述前緣帆旋轉(zhuǎn)控制子模塊，用于根據(jù)所述前緣帆的第一自轉(zhuǎn)角和第一公轉(zhuǎn)角分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，調(diào)整所述第一自轉(zhuǎn)角和所述第一公轉(zhuǎn)角的運(yùn)行角度；
31、所述主帆旋轉(zhuǎn)控制子模塊，用于根據(jù)所述主帆的攻角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，調(diào)整所述攻角的運(yùn)行角度；
32、所述后緣帆旋轉(zhuǎn)控制子模塊，用于根據(jù)所述后緣帆的第二自轉(zhuǎn)角和第二公轉(zhuǎn)角分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，調(diào)整所述第二自轉(zhuǎn)角和所述第二公轉(zhuǎn)角的運(yùn)行角度。
33、可選地，所述系統(tǒng)還包括模型構(gòu)建模塊；
34、所述模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)所述變截面風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定各待調(diào)整角；確定每個(gè)待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的各角度取值，并根據(jù)所有角度取值，構(gòu)建各調(diào)整角度組，每個(gè)調(diào)整角度組包括每個(gè)待調(diào)整角度的一個(gè)角度取值；基于數(shù)值模擬技術(shù)，確定在所述目標(biāo)夾角的每個(gè)第一角度下所述每個(gè)調(diào)整角度組對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；根據(jù)確定出的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，分別確定所述每個(gè)第一角度對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)矩陣和阻力系數(shù)矩陣；根據(jù)所述每個(gè)第一角度對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)矩陣和阻力系數(shù)矩陣，以最大化風(fēng)帆助力為目標(biāo)，計(jì)算在所述每個(gè)第一角度下所述每個(gè)待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度；根據(jù)計(jì)算出的在所述每個(gè)第一角度下所述每個(gè)待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，構(gòu)建風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型。
35、本說(shuō)明書(shū)采用的上述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到以下有益效果：
36、本說(shuō)明書(shū)提供的一種變截面風(fēng)帆運(yùn)行控制的方法，先實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的風(fēng)向以及目標(biāo)船舶的航向。目標(biāo)船舶上裝載由三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆構(gòu)成的變截面風(fēng)帆，三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆包括前緣帆、主帆和后緣帆，三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的剖面為水平對(duì)稱(chēng)的幾何。確定由風(fēng)向和航向構(gòu)成的目標(biāo)夾角的角度，并作為待查找角度。向基于數(shù)值模擬技術(shù)和變截面風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建的風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型輸入待查找角度，輸出匹配的三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度。根據(jù)三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆分別對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，分別調(diào)整三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的待調(diào)整角的運(yùn)行角度。風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型的輸出為前緣帆、主帆和后緣帆的待調(diào)整角對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行角度，前緣帆的待調(diào)整角包括前緣帆的第一自轉(zhuǎn)角和第一公轉(zhuǎn)角，主帆的待調(diào)整角包括攻角，后緣帆的待調(diào)整角包括后緣帆的第二自轉(zhuǎn)角和第二公轉(zhuǎn)角。通過(guò)設(shè)計(jì)包括前緣帆、主帆和后緣帆三段可調(diào)節(jié)翼型的風(fēng)帆，并根據(jù)風(fēng)向和航向，實(shí)時(shí)調(diào)整三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的運(yùn)行角度，從而改變整個(gè)風(fēng)帆的截面，優(yōu)化風(fēng)帆周?chē)臍鈩?dòng)流場(chǎng)，相比于現(xiàn)有的單體翼型風(fēng)帆，有著抑制流動(dòng)分離的效果，進(jìn)而提升整個(gè)風(fēng)帆的風(fēng)帆助力。
37、由于船舶實(shí)際航行過(guò)程中，風(fēng)力資源并不是一成不變的，故本發(fā)明可根據(jù)當(dāng)前的航向和風(fēng)向，采用預(yù)先構(gòu)建的風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型，實(shí)時(shí)確定當(dāng)前三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的最佳運(yùn)行角度，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整三段可調(diào)節(jié)翼型風(fēng)帆的運(yùn)行角度，以達(dá)到最大的風(fēng)帆助推效果。并且，上述風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型為預(yù)先借助數(shù)值模擬技術(shù)和變截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)生成的，該風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型包括在目標(biāo)夾角的各第一角度下的各待調(diào)整角的最佳運(yùn)行角度。由于該風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型為預(yù)先構(gòu)建的，故在船舶實(shí)際航行過(guò)程中，可直接根據(jù)該風(fēng)帆最佳運(yùn)行角度參考模型動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)帆的運(yùn)行角度，節(jié)省了時(shí)間。
38、本發(fā)明中的變截面風(fēng)帆包括前緣帆、主帆和后緣帆，并且前緣帆和主帆之間、后緣帆和主帆之間均存在間隙，在船舶的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，前緣帆和主帆之間間隙可以起到引流的作用，從而抑制了主帆吸力面的分離效果，同樣，主帆與后緣帆之間的間隙也可以起到抑制分離的效果，相比對(duì)同等弦長(zhǎng)的單體翼型風(fēng)帆，變截面風(fēng)帆的吸力面的分離流動(dòng)延遲，增大了吸力面的負(fù)壓區(qū)域，從而有效提升了升力，并且整個(gè)風(fēng)帆的可調(diào)整的攻角范圍更大。