本文關(guān)鍵詞：月池中流體活塞和晃蕩運(yùn)動(dòng)的研究

  更多相關(guān)文章： 月池 活塞運(yùn)動(dòng) 晃蕩運(yùn)動(dòng) 分離變量法 水動(dòng)力特性 共振頻率

【摘要】：隨著人們對(duì)各種形式海洋資源的需求日趨迫切，船舶與海洋工程界不斷研發(fā)出許多深海浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，例如：鉆井船、立柱式平臺(tái)、浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)油輪等。振蕩浮子式、水柱式、鴨式、擺式等多種形式的波能轉(zhuǎn)換裝置也被應(yīng)用到海洋波能的采集中。在這些深海平臺(tái)及波能轉(zhuǎn)換裝置中，經(jīng)常設(shè)置月池結(jié)構(gòu)，垂向貫穿浮體結(jié)構(gòu)主體，或?yàn)榘惭b立管、或?yàn)橄路旁O(shè)備、或?yàn)椴杉堋?海水通過(guò)月池底部的開口涌入月池內(nèi)部，在某些情況下發(fā)生劇烈的振蕩。其中，月池內(nèi)流體的自由液面趨于水平，流體整體沿垂直方向的上下振蕩，類似于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)，通常被稱作“活塞”現(xiàn)象；而月池內(nèi)的流體沿水平方向的左右振蕩，類似于水箱內(nèi)的液體晃蕩運(yùn)動(dòng)，通常被稱作“晃蕩”現(xiàn)象。這兩類共振現(xiàn)象的發(fā)生，既可以損壞鉆井船、立柱式平臺(tái)月池內(nèi)的設(shè)備，也可以被用來(lái)提高波能轉(zhuǎn)換裝置的工作效率。因此，調(diào)查研究月池內(nèi)部流體活塞和晃蕩現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律是非常必要的。 相對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值方法來(lái)說(shuō)，解析方法較易確定物理量之間的關(guān)系。本文利用解析方法在這方面的優(yōu)勢(shì)，建立了矩形、半圓形、圓柱形、半球形月池的繞射和輻射問(wèn)題的完整解析求解過(guò)程。根據(jù)邊界條件的不同特點(diǎn)，將浮體周圍流場(chǎng)劃分為不同的區(qū)域；采用分離變量法，以無(wú)窮級(jí)數(shù)（三角函數(shù)、修正貝塞爾函數(shù)、連帶勒讓德函數(shù)）的形式給出各區(qū)域中含未知系數(shù)的繞射與輻射速度勢(shì)的表達(dá)式；通過(guò)各子區(qū)域交界面處的速度連續(xù)與壓力連續(xù)，建立方程組求解無(wú)窮級(jí)數(shù)表達(dá)式中的未知系數(shù)。通過(guò)解析方法中的恒等關(guān)系，如，水動(dòng)力系數(shù)的對(duì)稱性關(guān)系，阻尼系數(shù)、波浪激勵(lì)力的的近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算方法，水平漂移力的中場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算公式，驗(yàn)證了解析求解過(guò)程的正確性。并將解析結(jié)果與多域邊界元結(jié)果作比較，討論了二者之間的異同。并將二維矩形月池、垂直圓柱形月池的解析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果作比較，分別從月池中心處自由液面升高的幅度和其對(duì)應(yīng)的頻率出發(fā)，考察了線性勢(shì)流理論在研究月池水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中的合理性和不足之處。 在此基礎(chǔ)上，討論了月池底部沒有開口的特殊情況，研究了矩形、半圓形、圓柱形、半球形水箱內(nèi)部流體的晃蕩運(yùn)動(dòng)特性。并分別從浮體的輻射和繞射問(wèn)題出發(fā)，考察了不同形式的月池在運(yùn)動(dòng)和靜止兩種情況下，其內(nèi)部流體在不同的激勵(lì)下引起的共振現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，矩形、半圓形、圓柱形、半球形月池均具有一個(gè)較小的活塞自然頻率和一系列的晃蕩自然頻率。當(dāng)浮體的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)頻率或入射波的頻率與月池的活塞自然頻率接近時(shí)，會(huì)引起月池內(nèi)部流體的垂向劇烈運(yùn)動(dòng)。當(dāng)浮體的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)頻率與月池的晃蕩頻率接近時(shí)，會(huì)引起月池內(nèi)部流體的縱向劇烈運(yùn)動(dòng)或繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，當(dāng)入射波的頻率與月池的晃蕩頻率接近時(shí)，并不會(huì)引起月池內(nèi)部自由液面的劇烈晃蕩。 本文還研究了月池底部開口大小、壁厚等參數(shù)對(duì)月池的水動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明，月池底部開口大小對(duì)月池反對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力特性影響很小，對(duì)月池晃蕩頻率的影響也可忽略；并且矩形、半圓形、圓柱形、半球形月池的晃蕩頻率可以分別采用對(duì)應(yīng)形式水箱的晃蕩頻率公式作近似估計(jì)。然而，底部開口大小對(duì)月池對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力特性影響顯著，，包括活塞頻率和垂蕩運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力曲線上峰值的幅度。
【關(guān)鍵詞】：月池 活塞運(yùn)動(dòng) 晃蕩運(yùn)動(dòng) 分離變量法 水動(dòng)力特性 共振頻率
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U661;P743.2
【目錄】：

• 附件5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目錄10-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 研究背景、目的和意義13-14
• 1.2 月池內(nèi)共振問(wèn)題的主要研究方法及現(xiàn)狀14-23
• 1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法14-15
• 1.2.2 數(shù)值方法15-18
• 1.2.3 解析方法18-23
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)23-26
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容23-24
• 1.3.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)24-26
• 第二章 月池水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型和多域邊界元法求解26-39
• 2.1 引言26
• 2.2 月池水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述26-31
• 2.3 速度勢(shì)的多域邊界元求解方法31-33
• 2.4 水動(dòng)力的計(jì)算33-38
• 2.4.1 一階水動(dòng)力的計(jì)算33-36
• 2.4.2 漂移力的計(jì)算36-38
• 2.5 小結(jié)38-39
• 第三章 矩形月池的繞射和輻射問(wèn)題39-71
• 3.1 引言39
• 3.2 物理問(wèn)題及數(shù)學(xué)描述39-40
• 3.3 速度勢(shì)的求解過(guò)程40-46
• 3.3.1 子區(qū)域速度勢(shì)的級(jí)數(shù)展開40-42
• 3.3.2 未知系數(shù)的求解42-46
• 3.4 水動(dòng)力的計(jì)算46-51
• 3.4.1 輻射作用力和水動(dòng)力系數(shù)46-48
• 3.4.2 波浪激勵(lì)力48-49
• 3.4.3 漂移力49-51
• 3.5 結(jié)果及分析51-70
• 3.5.1 結(jié)果驗(yàn)證51-62
• 3.5.2 矩形月池的水動(dòng)力特性研究62-70
• 3.6 小結(jié)70-71
• 第四章 水波與半圓形月池的相互作用71-102
• 4.1 引言71
• 4.2 問(wèn)題描述和求解過(guò)程71-88
• 4.2.1 半圓形月池繞射速度勢(shì)的求解72-80
• 4.2.2 半圓形月池輻射速度勢(shì)的求解80-84
• 4.2.3 半圓形月池的水動(dòng)力計(jì)算84-88
• 4.3 分析與討論88-100
• 4.3.1 結(jié)果驗(yàn)證88-92
• 4.3.2 底部無(wú)開口的特殊情況92-96
• 4.3.3 半圓形月池的共振特性研究96-98
• 4.3.4 底部開口對(duì)半圓形月池水動(dòng)力特性的影響98-100
• 4.4 小結(jié)100-102
• 第五章 垂直圓柱形月池的水動(dòng)力特性研究102-126
• 5.1 引言102
• 5.2 控制方程和邊界條件102-103
• 5.3 空間速度勢(shì)的求解過(guò)程103-111
• 5.4 結(jié)果與討論111-125
• 5.4.1 結(jié)果驗(yàn)證111-116
• 5.4.2 圓柱形月池內(nèi)部的流體共振現(xiàn)象116-120
• 5.4.3 月池底部開口大小的影響120-123
• 5.4.4 月池壁厚的影響123-125
• 5.5 小結(jié)125-126
• 第六章 半球形月池內(nèi)的共振現(xiàn)象研究126-151
• 6.1 引言126
• 6.2 解析過(guò)程的建立126-136
• 6.2.1 繞射速度勢(shì)的求解過(guò)程127-130
• 6.2.2 輻射速度勢(shì)的求解過(guò)程130-133
• 6.2.3 半球形月池的水動(dòng)力計(jì)算133-136
• 6.3 分析與討論136-150
• 6.3.1 結(jié)果驗(yàn)證136-140
• 6.3.2 半球形水箱內(nèi)的晃蕩頻率研究140-145
• 6.3.3 半球形月池內(nèi)的共振現(xiàn)象研究145-148
• 6.3.4 半球形月池底部開口大小的影響148-150
• 6.4 小結(jié)150-151
• 第七章 總結(jié)與展望151-153
• 7.1 總結(jié)151-152
• 7.2 研究展望152-153
• 參考文獻(xiàn)153-167
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的學(xué)術(shù)論文167-168
• 致謝168-169

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：535448