【摘要】：月池結構廣泛存在于海洋油氣資源鉆探、海洋能源開發(fā)裝備中,在特種船舶及水面艦艇中也有重要的應用。由于月池自身內(nèi)部存在自由液面、底部有開口這一特殊的結構形式,使其受外部水流和波浪作用時,內(nèi)部流體有可能產(chǎn)生劇烈的共振。我國新一代獵掃雷艇中為了給聲納設備提供安全的工作環(huán)境,設置了與月池結構類似的聲納圍井結構。為實現(xiàn)聲納的360度全方位升降,現(xiàn)有掃雷艇對此月池結構底部的開口進行了擴大。由于開口擴大,月池后方儀器受月池中氣泡的影響,出現(xiàn)了測深儀高航速段誤報率高、計程儀對水精度差等問題。因此,對月池內(nèi)部流體振蕩的機理和特性,月池內(nèi)產(chǎn)生氣泡的原因、氣泡演化發(fā)展的特征和在船底分布的規(guī)律開展全面的研究具備極高的學術價值和極強的工程指導意義。本文首先從實驗、解析及數(shù)值方法三個方面對月池水動力特性的研究進展進行了回顧,同時對剪切層自持振蕩和船首波、破碎波吸卷氣體的研究現(xiàn)狀進行了綜述。通過對國內(nèi)外學者的研究工作進行總結,發(fā)現(xiàn)解析方法和半解析方法的絕大部分研究工作集中于二維月池,對三維月池高階模態(tài)的研究尚需進一步發(fā)展;在研究中常常忽略月池中設備,僅對空腔月池進行分析,對于計及月池內(nèi)大型設備影響的月池水動力特性缺乏相關研究;剪切層自持振蕩方面的研究大多在較高流速下的無界射流或空腔繞流等問題中開展,當流速遠小于聲速時月池結構的剪切層自持振蕩及其發(fā)展特征需要更為深入分析;現(xiàn)有研究中尚未見到關于月池中氣泡的研究,月池內(nèi)氣泡產(chǎn)生機理和演化發(fā)展的規(guī)律、氣泡從月池中溢出及其在月池后方分布的特征、以及有效抑制月池中氣泡的措施是目前亟待解決的難題。為此本文從理論和實驗兩個方面開展了研究工作。在線性勢流理論的假設下,建立了二維和三維矩形開口月池流體振蕩的基本方程,在求解過程中引入改進的傅立葉級數(shù)方法,把速度勢函數(shù)假設為標準的傅立葉級數(shù)與輔助函數(shù)之和的形式,通過建立傅立葉級數(shù)中未知系數(shù)的方程組,將原有問題中偏微分方程的求解轉化為一個標準的特征值問題。通過與文獻中的結果對比,對改進的傅立葉級數(shù)方法的有效性進行驗證。通過求解不同尺度下月池的固有振蕩頻率和模態(tài),系統(tǒng)地分析了月池尺度對固有振蕩特性的影響,指出了對頻率變化更為敏感的月池尺度參數(shù)�？紤]到數(shù)值方法和解析方法對月池中氣泡問題研究的局限性,建立了月池誘生氣泡特性試驗系統(tǒng),設計了拖曳水池不通氣船模試驗及拖曳水池通氣PIV試驗兩種類型的試驗,采用了高速攝像機、動態(tài)壓力傳感器、水下PIV測試系統(tǒng)等多種測量手段,對考慮大型設備影響時月池內(nèi)及船底的氣泡特性進行了系統(tǒng)和全面的研究。在拖曳水池不通氣船模試驗中主要是對月池中氣泡產(chǎn)生的機理進行分析,根據(jù)不同航速和月池中流體不同振蕩模式下高速攝像記錄的月池中氣泡的情況的對比,確定月池中氣泡產(chǎn)生的原因。同時,對復雜邊界月池在均勻流和浪流共同作用時流體振蕩的特征進行分析,通過經(jīng)驗模態(tài)分解方法對動態(tài)壓力傳感器的數(shù)據(jù)進行分析,從試驗測得的壓力振蕩結果中分離出代表月池底部剪切層自持振蕩的本征模態(tài)函數(shù),對月池結構的剪切層振蕩的頻率特征和反饋方式進行總結,結合高速攝像機拍攝的自由液面振蕩的試驗現(xiàn)象,分析均勻流和浪流共同作用不同激勵模式下的振蕩機理。結合船底部測試得到的壓力數(shù)據(jù),對剪切層向船尾發(fā)展的問題進行了探索,指出了船底部波動的現(xiàn)象。拖曳水池通氣PIV試驗主要是對氣泡在船底的分布規(guī)律開展研究,針對船模試驗高航速段航行時間短、氣泡量少的問題,在試驗中設計了人工通氣裝置模擬實船氣泡環(huán)境。通過對航行過程中水下相機單幀拍攝的圖像整體疊加,從統(tǒng)計的角度對四個典型截面的氣泡分布特征進行了分析,充分考慮了月池開口形式及型線變化、航速和通氣量等參數(shù)改變對氣泡分布規(guī)律的影響,獲取了船底氣泡層分布的寬度、厚度和氣泡集中分布區(qū)域位置等關鍵信息,結合實船實驗的結果對拖曳水池通氣PIV試驗數(shù)據(jù)的有效性進行驗證。在對月池流體振蕩和氣泡產(chǎn)生的機理有了充分認識的基礎上,從控制月池底部流動分離以減小外部浪流等載荷對月池的激勵、增加月池內(nèi)流體系統(tǒng)的阻尼消耗流體運動的能量、減小月池內(nèi)氣泡的產(chǎn)生及泄出和改善氣泡在船底的分布四個角度,設計了腔口擋板、腔內(nèi)阻尼板、腔口封板、導流槽、收流板和分流板等多種抑制措施,并進行了模型試驗對這些抑制措施的效果進行了驗證。在試驗中發(fā)現(xiàn)腔口擋板和腔內(nèi)阻尼板的組合措施有效地減小了月池中的流體振蕩,并大幅降低了月池中氣泡產(chǎn)生的速度和氣泡量,而導流槽和收流板的組合措施則大幅優(yōu)化了氣泡在船底的分布,對實際工程中問題的解決有較強的指導意義并提供了堅實的技術支撐。
【圖文】：

１．１研究背景及意義逡逑月池是底部存在開口，四周設有圍壁，在垂向上貫穿船體，腔內(nèi)有自由液面且與外逡逑部海水相連的一類結構（如圖１．１所示），在海底礦物資源鉆探、海洋能源開發(fā)等領域及逡逑水面艦艇中均有重要的應用。逡逑邐邐二邋ｘ邐邋／邋Ｎ逡逑＼中縱剖面圖邐ｎ邋ｒ邐７自由液面邐ｒｆ邋ｉ．ｉ逡逑丨邋Ｈ、邐卜一逡逑邐丨１邐邋月池結構＇邋／逡逑—謝見圖？邐／邐＾橫剖面圖逡逑１邐ｍ池結構）逡逑邐ＣＺＩ邐＾逡逑？夕逡逑圖Ｕ月池結構示意圖逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｍｏｏｎｐｏｏｌ逡逑比如在深海油氣開采工程中，張力腿平臺、Ｓｐａｒ平臺和立柱式平臺等浮式油氣生產(chǎn)逡逑系統(tǒng)為安裝立管或鋪設管線，在海洋平臺結構的中部開設了月池結構；在鉆井船、科考逡逑船、鋪管船等特種船舶在船體中設置了月池以保證作業(yè)過程中可方便安全地下放ＲＯＶ逡逑等設備；振蕩浮子式、振蕩水柱式波能轉換裝置中設置氣室使波浪能轉化為浮子的勢能逡逑或空氣的動能進行利用，氣室實際上就是典型的月池。海洋工程、特種船舶及波能采集逡逑裝置中的月池結構如圖１．２所示。逡逑＾＾■：g邋｜ｐ｜－邋ｊ｜Ｍ逡逑（ａ）邋Ｓｐａｒ平臺（圖片來自互邐＆樸肌丨ｍｉ邐（ｃ）波能采集裝置（圖片來逡逑聯(lián)網(wǎng)）邐（ｂ）邐自互聯(lián)網(wǎng)）逡逑圖１．２月池在海洋工程及海洋能源領域中的應用逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｍｏｏｎｐｏｏｌ邋ｉｎ邋ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｏｃｅａｎ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ邋ｆｉｅｌｄ逡逑月池由于其特殊的結構形式，自身存在活塞運動和晃蕩運動兩種固有的運動模式ｗ，逡逑當外部浪流等激勵頻率與其流體固有的振蕩頻率相近時

第１章緒論逡逑活塞運動和晃蕩運動幅值的影響。圖１．６給出的是Ｙａｎｇ在實驗中觀測到的未安裝潛水逡逑箱結構的月池在波浪中的活塞運動，從圖中可以清晰看出月池內(nèi)自由液面相對入射波波逡逑面的上升和Ｆ降運動，該現(xiàn)象表明月池中流體產(chǎn)生共振時其運動的幅度遠大于月池外流逡逑體運動。金瑞健（２０１６）邋＾通過對比船模在月池開啟和月池關閉時航行的阻力，，分析了逡逑月池對船舶阻力的影響，并討論了格柵開孔和月池底部倒圓角等月池優(yōu)化方案的效果。逡逑Ｇｕｏ邋（２０１６，邋２０１７）邐對帶凹槽的月池中液體振蕩特性開展研究，指出當月池在規(guī)則波逡逑作用下僅存在一個激勵源時，月池內(nèi)流體運動也有多個模態(tài)被激勵起，而此類凹槽結構逡逑引入了干擾效應將加劇月池內(nèi)的共振響應。Ｍａｇｅｅ邋（２０１８）邋％在波浪水槽中對月池在波逡逑浪中的受力情況及內(nèi)部流體振蕩規(guī)律開展了研究，試驗中觀測到了活塞運動和第一階晃逡逑蕩運動
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U674.77

【參考文獻】

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本文編號：2700416