一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统与方法

技术领域

本发明涉及船舶风能应用及能效优化管理技术领域，尤其涉及一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统与方法。

背景技术

随着环境日益恶化、化石能源即将枯竭，气候变化等问题引发了全球范围内的担忧与关注，如何发展和应用节能减排技术提高船舶能效已成为航运业界的重要课题。船舶能效的提升可以减少燃料消耗和排放，降低运营成本，同时也符合可持续发展的要求。

风帆助航船舶通过利用风能作为辅助推进力，对提高船舶能效水平具有一定意义。然而，船体、风帆、螺旋桨、附体的设计参数及运行特性都会影响风帆船的整体能效设计水平，只有通过船体、风帆、螺旋桨、附体的一体化集成优化设计，才能最大程度地提高风帆船的能效水平。由于船体-风帆-螺旋桨-附体伴随不均匀流场构成了一个更为复杂的多场耦合系统，致使目前尚未探明船体-风帆-螺旋桨-附体伴随不均匀流场之间的耦合作用关系及其对船舶能效的影响特性，无法实现基于耦合动力学分析的风帆船能效提升综合优化设计，风帆船能效水平有待进一步提升。因此，尚缺少基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统与方法的系统性论证分析，难以为风帆船能效优化研究提供参考和指导。

发明内容

基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统与方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统，其特征在于，包括：

数据分析与处理单元、能效集成优化模型单元、能效集成优化算法单元、风帆船能效集成优化设计单元、能效提升评估单元；

所述数据分析与处理单元分别与能效集成优化模型单元、能效集成优化算法单元、风帆船能效集成优化设计单元、能效提升评估单元进行数据交互，其用于采集系统优化设计数据，所述系统优化设计数据包括船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统的基本参数以及环境工况数据；

所述能效集成优化模型单元能够基于所述系统优化设计数据，利用耦合动力学方法创建风帆船耦合系统能效集成优化模型，所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以风帆船航行总阻力最低为优化目标，以风帆船耦合系统各个子系统的外形参数作为优化变量；

所述能效集成优化算法单元能够基于粒子群优化算法求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以获得相应的求解结果，所述求解结果为船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元；

所述风帆船能效集成优化设计单元能够基于所述求解结果，对影响风帆船耦合系统的外形参数进行优化设计以获得优化结果即获取最佳风帆船耦合系统设计参数；

所述能效提升评估单元能够基于所述优化结果对耦合动力系统风帆船的能效水平进行评估，并输出优化后耦合动力系统风帆船的能效水平。

可选的，在其中一个实施例中，

所述风帆船耦合系统能效集成优化模型对应的优化目标函数及约束条件如下所示：

min R

L

H

S

A

D

X

S

H

H

P

P

▽

式(1)为船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统优化目标函数，其中，R

其中，

R

式中，R

可选的，在其中一个实施例中，

所述能效集成优化算法单元包括数据处理模块、阻力计算模块及模型求解模块；

所述数据处理模块能够实时接收不同采样周期内的所述系统优化设计数据；

所述阻力计算及模型求解模块能够基于粒子群优化算法，通过所述系统优化设计数据求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以获得相应的求解结果即船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元；

其中，求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型的具体步骤如下：

S31、对粒子群进行初始化，对船体-风帆-螺旋桨-附体耦合动力学系统能效优化算法所使用的粒子群体进行初始化设置，包括粒子群的规模N、初始粒子的飞行位置x

v

x

式中，v

S32、依据所述优化目标，进行每个粒子的适应度值fit[i]计算。

S33、获得个体极值p

S34、获得全局极值g

S35、根据式(14)和式(15)对粒子的速度和位置进行迭代更新；

S36、设置边界条件，判断是否满足算法终止条件，若满足算法终止条件，则结束算法输出最优解作为求解结果；若不满足终止条件，则继续进行迭代计算，直至满足算法停止准则为止；

S37、并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元。

可选的，在其中一个实施例中，

所述耦合动力系统风帆船的能效水平评估公式如下式所示：

式中，Q

其中，耦合动力系统风帆船油耗如下式所示：

式中，R

此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种基于所述的耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统的风帆船能效提升集成优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、采集系统优化设计数据；

步骤S2、基于所述系统优化设计数据和粒子群优化算法求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以获得相应的求解结果即船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元；

步骤S3、基于所述求解结果，对影响风帆船耦合系统的外形参数进行优化设计以获得优化结果即获取最佳风帆船耦合系统设计参数；

步骤S4、基于所述优化结果对耦合动力系统风帆船的能效水平进行评估并输出优化后的耦合动力系统风帆船的能效水平。

此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的方法。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明提供一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统与方法，解决了无法实现风帆船的“船-机-桨-帆-附体”的集成匹配优化设计问题，能够有效提高耦合动力系统风帆船的整体能效水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统示意图；

图2为本发明一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计方法流程图；

图3为本发明基于粒子群优化算法求解船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统能效水平流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

在本实施例中，特提出了一种基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统，如图1-3所示，该系统包括：

数据分析与处理单元、能效集成优化模型单元、能效集成优化算法单元、风帆船能效集成优化设计单元、能效提升评估单元；

所述数据分析与处理单元分别与能效集成优化模型单元、能效集成优化算法单元、风帆船能效集成优化设计单元、能效提升评估单元进行数据交互，其用于采集系统优化设计数据，所述系统优化设计数据包括船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统的基本参数以及环境工况数据；

所述能效集成优化模型单元能够基于所述系统优化设计数据，利用耦合动力学方法创建风帆船耦合系统能效集成优化模型，所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以风帆船航行总阻力最低为优化目标，以风帆船耦合系统各个子系统的外形参数作为优化变量；

所述能效集成优化算法单元能够基于粒子群优化算法求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以获得相应的求解结果，所述求解结果为船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元；

所述风帆船能效集成优化设计单元能够基于所述求解结果，对影响风帆船耦合系统的外形参数进行优化设计以获得优化结果即获取最佳风帆船耦合系统设计参数；

所述能效提升评估单元能够基于所述优化结果对耦合动力系统风帆船的能效水平进行评估，并输出优化后耦合动力系统风帆船的能效水平。

基于上述内容可知，本发明通过所述能效集成优化模型单元以及所述能效集成优化算法单元相互配合获得船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，进而通过能效提升评估单元结合耦合动力系统风帆船航行时的最优运动状态，实现以最小阻力航行，有效提升耦合动力系统风帆船的整体能效水平的设计目的。

在一些具体的实施例中，所述数据分析与处理单元的作用是通过该单元将系统内各类数据进行汇总、整合、和交换，即其能实现其他单元的各数据之间的联动和协同作用，主要起到数据传输和信息共享的作用；其中，所述数据分析与处理单元分别与能效集成优化模型单元、能效集成优化算法单元、风帆船能效集成优化设计单元、能效提升评估单元进行数据交互，其用于按照一定的采样周期定期采集系统优化设计数据，所述系统优化设计数据包括船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统的基本参数以及环境工况数据；其中，船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统的基本参数包括但不限于：船体水线长度、风帆高度、风帆面积、风帆弧度、螺旋桨直径、螺旋桨螺距、预旋定子叶片厚度、预旋定子叶片数量、船体吃水等外形参数，环境工况数据包括但不限于：不规则的风、浪、流工况。

在一些具体的实施例中，所述能效集成优化模型单元能够基于所述系统优化设计数据，基于船体-风帆-螺旋桨-附体的耦合动力学分析创建风帆船耦合系统能效集成优化模型，所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以风帆船航行阻力最低为优化目标，以风帆船耦合系统各个子系统的外形参数作为优化变量；

所述能效集成优化模型单元利用耦合动力学分析技术，对所述数据分析与处理单元所采集多个采样时间内的数据进行分析处理，进而模拟计算出不同工况条件和航行姿态条件下的风帆船阻力计算结果，以辅助后续单元更准确地评估风帆船耦合动力学系统的整体性能。

由于船体、风帆、螺旋桨、附体的能效提升集成优化设计是一个复杂的多变量、多约束的优化问题，该风帆船耦合系统能效集成优化模型对应的优化目标及约束条件如下所示：

minR

L

H

S

A

D

X

S

H

H

P

P

▽

式(1)为船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统优化目标函数，其中，R

其中，

R

式中，R

耦合动力学分析技术应用到船体-风帆-螺旋桨-附体的耦合系统上的背景介绍：由于船舶是一个复杂的系统，包括船体、翼型风帆、推进系统、附体等多个组成部分。其涉及流体力学、船舶动力学、船舶操纵控制等相关理论知识，研究过程非常复杂。尽管船舶多场耦合问题和船舶-发动机-螺旋桨以及其它推进装置的匹配过程是两个不同的研究内容，但是他们之间又是一个不可分割的整体；即一方面，耦合动力学分析的船舶能效优化是在综合考虑气-液-固多相流耦合作用关系的前提下，实现船舶的船体线型、螺旋桨、节能附体，以及助推装置等综合优化设计与能效提升；另一方面，船舶-发动机-螺旋桨以及其它推进装置的匹配过程又可以实现气-液-固多相流更好地耦合，实现船舶整体能效的提升。这对于航运业界的节能减排和可持续发展具有重要意义。因此，可以使用耦合动力学分析方法更准确地评估船舶的性能和能效，并为船舶能效优化奠定基础。

因此研究可以基于此方向进行，基于耦合动力学方法开展船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统的阻力仿真计算过程包括以下步骤：

1、将风帆、螺旋桨以及附体按照比例尺度建立三维模型；并在裸船体模型上加装风帆、螺旋桨、附体构建船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统模型；

2、对船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统进行计算域以及网格划分；将船体-风帆-螺旋桨-附体之间的耦合数值计算过程中的整个计算域划分为两部分，一部分为船体、风帆组成的固定域，另一部分为螺旋桨、附体组成的旋转域；

3、根据耦合系统模型尺寸选择合适的包面网格尺寸，使得包面网格能够贴合风帆船耦合系统，为了使网格更好的贴合耦合系统形状，不断地减小船体、风帆、螺旋桨、附体表面地网格尺寸并查看网格情况，使得网格更好地贴合船体、风帆、螺旋桨、附体表面；

4、根据船体-风帆-螺旋桨-附体耦合动力学系统特性，依据需求以及经验选择合适的流体动力学模型、结构动力学模型等物理模型，并设置边界条件，如海浪、海流、风等耦合边界条件；

5、对船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统进行阻力计算(可参照上述阻力计算公式获得)，根据能效优化目标设置多个不同的工况对其进行实尺度下的船体-风帆-螺旋桨-附体耦合计算分析，从而保证船体-风帆-螺旋桨-附体耦合阻力性能计算分析的可靠性和有效性。

在一些具体的实施例中，所述能效集成优化算法单元包括数据处理模块、阻力计算模块及模型求解模块；

所述数据处理模块能够实时接收不同采样周期内的所述系统优化设计数据；

所述阻力计算及模型求解模块能够基于粒子群优化算法，通过所述系统优化设计数据求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以获得相应的求解结果即船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元；

其中，求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型的具体步骤如下：

S31、对粒子群进行初始化，对船体-风帆-螺旋桨-附体耦合动力学系统能效优化算法所使用的粒子群体进行初始化设置，包括粒子群的规模N、初始粒子的飞行位置x

v

x

式中，v

S32、依据所述优化目标，进行每个粒子的适应度值fit[i]计算。

S33、获得个体极值p

S34、获得全局极值g

S35、根据式(14)和式(15)对粒子的速度和位置进行迭代更新；

S36、设置边界条件，判断是否满足算法终止条件，若满足算法终止条件，则结束算法输出最优解作为求解结果；若不满足终止条件，则继续进行迭代计算，直至满足算法停止准则为止；所述算法终止条件包括第一算法终止条件以及第二算法终止条件中的任意一种，所述第一算法终止条件为达到设定的迭代次数即终止，所述第二算法终止条件为迭代结果即适应度值保持不变即多次迭代结果都不再变化，则算法终止；

S37、并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元。

在一些具体的实施例中，所述风帆船能效集成优化设计单元能够接收来自所述能效集成优化算法单元的求解结果，对影响风帆船耦合系统的外形参数进行优化设计，实现在整体设计层面上寻求最佳的风帆船耦合系统的协同效应，以获取最佳风帆船耦合系统。具体是指分别对裸船体、风帆、螺旋桨、附体，以及船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统进行动力学优化，以改进影响风帆船能效的关键因素，包括改变船体几何形状、改善推进系统、调整载荷分布以及工况条件等；并基于船体-风帆-螺旋桨-附体耦合系统动力学性能计算分析结果与实测数据或模拟试验结果对比，并验证优化后的船体-风帆-螺旋桨-附体耦合动力学系统的准确性和可靠性。通过与实际运行数据的比较，评估优化设计对风帆船能效的影响。根据优化结果，实施改进措施以提高风帆船的能效水平。

在一些具体的实施例中，所述耦合动力系统风帆船能效水平评估公式如下式所示：

式中，Q

其中，风帆船耦合系统油耗如下式所示：

式中，R

基于相同的发明构思，本发明还提出了基于上述任意方案所述的基于耦合动力学分析的风帆船能效提升集成优化设计系统的风帆船能效提升集成优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、采集系统优化设计数据即基本参数与环境工况等数据信息建立船体-风帆-螺旋桨-附体系统耦合动力学仿真计算环境；

步骤S2、基于所述系统优化设计数据和粒子群优化算法求解所述风帆船耦合系统能效集成优化模型以获得相应的求解结果即船体-风帆-螺旋桨-附体耦合作用下的最优的风帆船航行总阻力，并将求解结果传输至所述风帆船能效集成优化设计单元；

步骤S3、基于所述求解结果，对影响风帆船耦合系统的外形参数进行优化设计以获得优化结果即获取最佳风帆船耦合系统设计参数，进而实现在整体设计层面上寻求最佳的风帆船耦合系统的协同效应；

步骤S4、基于所述优化结果对风帆船耦合系统的能效水平进行评估，并输出优化后风帆船耦合系统的能效水平。

基于相同的发明构思，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的方法。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。