圓柱殼-流場(chǎng)耦合系統(tǒng)聲振問(wèn)題的研究多考慮流場(chǎng)是無(wú)限域,而在實(shí)際的工程問(wèn)題中,往往包含自由液面這類經(jīng)典的聲學(xué)邊界,而且該邊界對(duì)耦合系統(tǒng)的聲振性能存在一定的影響。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這類問(wèn)題的研究主要還是采用有限元和邊界元等數(shù)值解法,且缺乏對(duì)含自由液面聲邊界約束的圓柱殼-流場(chǎng)耦合聲振性能的理論分析與機(jī)理研究,尤其是其中流場(chǎng)與圓柱殼部分耦合問(wèn)題以及組合邊界下圓柱殼聲固耦合問(wèn)題更是缺乏合適的理論研究方法。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出了一套關(guān)于這類聲振問(wèn)題的解析或半解析求解方法,并分別基于半無(wú)限域和限制域、潛態(tài)和浮態(tài)、外流場(chǎng)和內(nèi)流場(chǎng)等工況,開(kāi)展了圓柱殼聲振問(wèn)題的理論研究。首先,本文建立了圓柱殼-流場(chǎng)部分耦合問(wèn)題的二維聲振模型(圓柱殼軸線與水面平行),并提出了一種嶄新的理論求解方法,其核心思想就是將聲壓函數(shù)和殼體位移函數(shù)分別建立在兩套不同的坐標(biāo)系下,然后再利用Galerkin法處理結(jié)構(gòu)與聲場(chǎng)部分聲固耦合的界面上的速度連續(xù)條件。最終結(jié)果對(duì)比表明該方法精度很高且具有很廣的適用范圍,也為后文浮態(tài)以及碼頭系泊狀態(tài)等相關(guān)問(wèn)題的求解提供了關(guān)鍵技術(shù)與理論依據(jù)。然后,本文建立了組合邊界下圓柱殼的二維聲振模型,其中組合聲邊界包含自由液面以及與其垂直的剛性壁面。通過(guò)采用虛源法并引入三個(gè)虛源來(lái)消去邊界約束,再利用Graf加法定理將三個(gè)虛源坐標(biāo)系遷移到實(shí)源坐標(biāo)系下即可對(duì)控制方程進(jìn)行理論求解。與有限元軟件Comsol仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性,也為后文更為復(fù)雜的邊界組合形式奠定了理論求解的基礎(chǔ)。接下來(lái)對(duì)有限浸沒(méi)深度下(潛態(tài))有限長(zhǎng)圓柱殼開(kāi)展了振動(dòng)及遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射研究。為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率,本文采用了兩套物理模型且分兩步進(jìn)行求解。第一步先采用聲障板模型計(jì)算圓柱殼振動(dòng)響應(yīng);第二步再采用聲障柱模型并結(jié)合穩(wěn)相法計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲壓。與有限元方法及邊界元方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性,并且本文方法計(jì)算效率遠(yuǎn)高于有限元和邊界元等數(shù)值方法。此外,本文還分析了自由液面對(duì)固有頻率、模態(tài)振型、遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓指向性及波動(dòng)性的影響規(guī)律,探討了自由液面帶來(lái)的互散射效應(yīng),并給出了計(jì)算傾斜圓柱殼遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的近似方法。進(jìn)而,本文通過(guò)采用兩套物理模型的求解思路,再結(jié)合部分耦合問(wèn)題的關(guān)鍵求解技術(shù)進(jìn)一步研究了浮態(tài)下有限長(zhǎng)圓柱殼振動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射特性。與有限元方法及邊界元方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)之上,本文進(jìn)一步開(kāi)展了部分充液以及內(nèi)、外均與流場(chǎng)部分耦合工況下的自振特性研究。最后,本文結(jié)合組合邊界的處理方法以及部分耦合問(wèn)題的關(guān)鍵求解技術(shù)研究了碼頭系泊狀態(tài)下有限長(zhǎng)圓柱殼聲振特性。此外,本文還分析了碼頭系泊工況下圓柱殼內(nèi)部充液對(duì)自振特性的影響,以及不同類型海底吸聲邊界對(duì)自振特性的影響。論文由淺入深、由易到難地給出了多類工況下流場(chǎng)與圓柱殼耦合聲振問(wèn)題的理論求解方法,突破了圓柱殼-流場(chǎng)部分耦合以及多邊界組合約束兩大技術(shù)難點(diǎn),并且系統(tǒng)地開(kāi)展了不同工況下圓柱殼聲振性能研究,豐富了圓柱殼-流場(chǎng)耦合聲振問(wèn)題的理論體系,未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)基于聲邊界約束下圓柱殼聲振數(shù)據(jù)的大潛深環(huán)境快速聲學(xué)預(yù)報(bào)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U661.44
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文度為 ρs，部分浸沒(méi)于密度為 ρf，聲速為 cf的流體中，殼2.1 所示，以殼體圓心 O 為坐標(biāo)原點(diǎn)的極坐標(biāo)系(r, φ)為 到 ，以 y 軸與自由液面的交點(diǎn) Q 為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系(圍為 0 到 ，定義 Q 點(diǎn)的 y 軸坐標(biāo)值的相反數(shù)為特征深/Rs，當(dāng)自由液面在殼體圓心上方時(shí)，H 取值為正（位于 上任一點(diǎn)的夾角定義為 。當(dāng)自由液面在殼體圓心上 取值為負(fù)值（ 2 ）。徑向激勵(lì)力幅值為 F0，激

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文數(shù)矩陣的行列式值。 Vp Tp 中均含有角頻率 ，實(shí)際上矩陣的行列式值 的超越方程，難以直接解出 。因此本文采用搜根的方根步長(zhǎng)，逐步增大輸入的角頻率，當(dāng)行列式值等于零頻率即為系統(tǒng)的固有角頻率。由此可以將超越方程的再根據(jù) f ，可以得到各階固有頻率。 況柱殼模型（如圖 所示）與部分浸沒(méi)工況是相近的，致，模型最大的區(qū)別在于部分浸沒(méi)問(wèn)題是外流場(chǎng)而部時(shí) H 定義為充液特征高度。

圖 2.4 部分浸沒(méi)有限元模型表 2.1 不同浸沒(méi)深度下首階固有頻率對(duì)比 (Hz)H/Rs本文結(jié)果之一(取位移權(quán)函數(shù)求解)本文結(jié)果之二(取聲壓權(quán)函數(shù)求解)FEM(Comsol)-0.8 15.06 15.07 15.16-0.7 14.33 14.51 14.45-0.6 13.24 13.31 13.33-0.5 12.65 12.67 12.72-0.4 12.36 12.36 12.43-0.3 12.24 12.24 12.31-0.2 12.19 12.19 12.26-0.1 11.44 11.45 11.51

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2824906