【摘要】：月池結(jié)構(gòu)廣泛存在于海洋油氣資源鉆探、海洋能源開(kāi)發(fā)裝備中,在特種船舶及水面艦艇中也有重要的應(yīng)用。由于月池自身內(nèi)部存在自由液面、底部有開(kāi)口這一特殊的結(jié)構(gòu)形式,使其受外部水流和波浪作用時(shí),內(nèi)部流體有可能產(chǎn)生劇烈的共振。我國(guó)新一代獵掃雷艇中為了給聲納設(shè)備提供安全的工作環(huán)境,設(shè)置了與月池結(jié)構(gòu)類似的聲納圍井結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)聲納的360度全方位升降,現(xiàn)有掃雷艇對(duì)此月池結(jié)構(gòu)底部的開(kāi)口進(jìn)行了擴(kuò)大。由于開(kāi)口擴(kuò)大,月池后方儀器受月池中氣泡的影響,出現(xiàn)了測(cè)深儀高航速段誤報(bào)率高、計(jì)程儀對(duì)水精度差等問(wèn)題。因此,對(duì)月池內(nèi)部流體振蕩的機(jī)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(kāi)展全面的研究具備極高的學(xué)術(shù)價(jià)值和極強(qiáng)的工程指導(dǎo)意義。本文首先從實(shí)驗(yàn)、解析及數(shù)值方法三個(gè)方面對(duì)月池水動(dòng)力特性的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧,同時(shí)對(duì)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(jìn)行了綜述。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作進(jìn)行總結(jié),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(duì)三維月池高階模態(tài)的研究尚需進(jìn)一步發(fā)展;在研究中常常忽略月池中設(shè)備,僅對(duì)空腔月池進(jìn)行分析,對(duì)于計(jì)及月池內(nèi)大型設(shè)備影響的月池水動(dòng)力特性缺乏相關(guān)研究;剪切層自持振蕩方面的研究大多在較高流速下的無(wú)界射流或空腔繞流等問(wèn)題中開(kāi)展,當(dāng)流速遠(yuǎn)小于聲速時(shí)月池結(jié)構(gòu)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(jiàn)到關(guān)于月池中氣泡的研究,月池內(nèi)氣泡產(chǎn)生機(jī)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(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)展了研究工作。在線性勢(shì)流理論的假設(shè)下,建立了二維和三維矩形開(kāi)口月池流體振蕩的基本方程,在求解過(guò)程中引入改進(jìn)的傅立葉級(jí)數(shù)方法,把速度勢(shì)函數(shù)假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的傅立葉級(jí)數(shù)與輔助函數(shù)之和的形式,通過(guò)建立傅立葉級(jí)數(shù)中未知系數(shù)的方程組,將原有問(wèn)題中偏微分方程的求解轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的特征值問(wèn)題。通過(guò)與文獻(xiàn)中的結(jié)果對(duì)比,對(duì)改進(jìn)的傅立葉級(jí)數(shù)方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)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(duì)固有振蕩特性的影響,指出了對(duì)頻率變化更為敏感的月池尺度參數(shù)。考慮到數(shù)值方法和解析方法對(duì)月池中氣泡問(wèn)題研究的局限性,建立了月池誘生氣泡特性試驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了拖曳水池不通氣船模試驗(yàn)及拖曳水池通氣PIV試驗(yàn)兩種類型的試驗(yàn),采用了高速攝像機(jī)、動(dòng)態(tài)壓力傳感器、水下PIV測(cè)試系統(tǒng)等多種測(cè)量手段,對(duì)考慮大型設(shè)備影響時(shí)月池內(nèi)及船底的氣泡特性進(jìn)行了系統(tǒng)和全面的研究。在拖曳水池不通氣船模試驗(yàn)中主要是對(duì)月池中氣泡產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)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(duì)比,確定月池中氣泡產(chǎn)生的原因。同時(shí),對(duì)復(fù)雜邊界月池在均勻流和浪流共同作用時(shí)流體振蕩的特征進(jìn)行分析,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對(duì)動(dòng)態(tài)壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從試驗(yàn)測(cè)得的壓力振蕩結(jié)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(duì)月池結(jié)構(gòu)的剪切層振蕩的頻率特征和反饋方式進(jìn)行總結(jié),結(jié)合高速攝像機(jī)拍攝的自由液面振蕩的試驗(yàn)現(xiàn)象,分析均勻流和浪流共同作用不同激勵(lì)模式下的振蕩機(jī)理。結(jié)合船底部測(cè)試得到的壓力數(shù)據(jù),對(duì)剪切層向船尾發(fā)展的問(wèn)題進(jìn)行了探索,指出了船底部波動(dòng)的現(xiàn)象。拖曳水池通氣PIV試驗(yàn)主要是對(duì)氣泡在船底的分布規(guī)律開(kāi)展研究,針對(duì)船模試驗(yàn)高航速段航行時(shí)間短、氣泡量少的問(wèn)題,在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了人工通氣裝置模擬實(shí)船氣泡環(huán)境。通過(guò)對(duì)航行過(guò)程中水下相機(jī)單幀拍攝的圖像整體疊加,從統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)四個(gè)典型截面的氣泡分布特征進(jìn)行了分析,充分考慮了月池開(kāi)口形式及型線變化、航速和通氣量等參數(shù)改變對(duì)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(guān)鍵信息,結(jié)合實(shí)船實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)拖曳水池通氣PIV試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)月池流體振蕩和氣泡產(chǎn)生的機(jī)理有了充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,從控制月池底部流動(dòng)分離以減小外部浪流等載荷對(duì)月池的激勵(lì)、增加月池內(nèi)流體系統(tǒng)的阻尼消耗流體運(yùn)動(dòng)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(gè)角度,設(shè)計(jì)了腔口擋板、腔內(nèi)阻尼板、腔口封板、導(dǎo)流槽、收流板和分流板等多種抑制措施,并進(jìn)行了模型試驗(yàn)對(duì)這些抑制措施的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。在試驗(yàn)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(dǎo)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(duì)實(shí)際工程中問(wèn)題的解決有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義并提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。
【圖文】：

１．１研究背景及意義逡逑月池是底部存在開(kāi)口，四周設(shè)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(jié)構(gòu)（如圖１．１所示），在海底礦物資源鉆探、海洋能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域及逡逑水面艦艇中均有重要的應(yīng)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(jié)構(gòu)＇邋／逡逑—謝見(jiàn)圖？邐／邐＾橫剖面圖逡逑１邐ｍ池結(jié)構(gòu)）逡逑邐ＣＺＩ邐＾逡逑？夕逡逑圖Ｕ月池結(jié)構(gòu)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(kāi)采工程中，張力腿平臺(tái)、Ｓｐａｒ平臺(tái)和立柱式平臺(tái)等浮式油氣生產(chǎn)逡逑系統(tǒng)為安裝立管或鋪設(shè)管線，在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的中部開(kāi)設(shè)了月池結(jié)構(gòu)；在鉆井船、科考逡逑船、鋪管船等特種船舶在船體中設(shè)置了月池以保證作業(yè)過(guò)程中可方便安全地下放ＲＯＶ逡逑等設(shè)備；振蕩浮子式、振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置中設(shè)置氣室使波浪能轉(zhuǎn)化為浮子的勢(shì)能逡逑或空氣的動(dòng)能進(jìn)行利用，氣室實(shí)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(jié)構(gòu)如圖１．２所示。逡逑＾＾■：g邋｜ｐ｜－邋ｊ｜Ｍ逡逑（ａ）邋Ｓｐａｒ平臺(tái)（圖片來(lái)自互邐＆樸肌丨ｍｉ邐（ｃ）波能采集裝置（圖片來(lái)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(lǐng)域中的應(yīng)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(jié)構(gòu)形式，自身存在活塞運(yùn)動(dòng)和晃蕩運(yùn)動(dòng)兩種固有的運(yùn)動(dòng)模式ｗ，逡逑當(dāng)外部浪流等激勵(lì)頻率與其流體固有的振蕩頻率相近時(shí)

第１章緒論逡逑活塞運(yùn)動(dòng)和晃蕩運(yùn)動(dòng)幅值的影響。圖１．６給出的是Ｙａｎｇ在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的未安裝潛水逡逑箱結(jié)構(gòu)的月池在波浪中的活塞運(yùn)動(dòng)，從圖中可以清晰看出月池內(nèi)自由液面相對(duì)入射波波逡逑面的上升和Ｆ降運(yùn)動(dòng)，該現(xiàn)象表明月池中流體產(chǎn)生共振時(shí)其運(yùn)動(dòng)的幅度遠(yuǎn)大于月池外流逡逑體運(yùn)動(dòng)。金瑞�。ǎ玻埃保叮╁澹尥ㄟ^(guò)對(duì)比船模在月池開(kāi)啟和月池關(guān)閉時(shí)航行的阻力，，分析了逡逑月池對(duì)船舶阻力的影響，并討論了格柵開(kāi)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(duì)帶凹槽的月池中液體振蕩特性開(kāi)展研究，指出當(dāng)月池在規(guī)則波逡逑作用下僅存在一個(gè)激勵(lì)源時(shí)，月池內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)也有多個(gè)模態(tài)被激勵(lì)起，而此類凹槽結(jié)構(gòu)逡逑引入了干擾效應(yīng)將加劇月池內(nèi)的共振響應(yīng)。Ｍａｇｅｅ邋（２０１８）邋％在波浪水槽中對(duì)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(kāi)展了研究，試驗(yàn)中觀測(cè)到了活塞運(yùn)動(dòng)和第一階晃逡逑蕩運(yùn)動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U674.77

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2700416