水下潛標系統(tǒng)是一種利用系留繩纜固定于海底進行信號收集的裝置，系統(tǒng)抗擾能力直接決定了接收信號的可靠程度。而系統(tǒng)中系留繩纜的動力特性是決定整個系統(tǒng)動力響應的重要組成部分，受拉柔性繩纜由于繞流會產(chǎn)生周期性的渦泄從而引起交變激振力，因而結構會發(fā)生渦激振動從而產(chǎn)生干擾頻響信號。對大柔性細長體結構漩渦脫落和渦激振動進行研究可以預報系留系統(tǒng)干擾頻段，同時對海洋工程中的此類細長結構，如系纜、立管等也有重要意義。 本文旨在建立基于CFD-FEA雙向流固耦合的大柔性細長結構渦激振動時域預報方法，分別從亞臨界層定圓柱繞流漩渦脫落建模規(guī)律、三維直（斜）圓柱繞流模擬與分析、動網(wǎng)格技術、彈性支撐的二維圓柱渦激振動自鎖研究以及三維全尺度渦激振動預報研究等方面展開。具體研究內容如下： 1基于LES方法對亞臨界層定圓柱繞流漩渦脫落模型影響因素進行了分析，研究了幾何模型尺度、網(wǎng)格劃分方式、亞格尺度模型選擇、初始邊界條件和時間步長對模擬結果的影響規(guī)律，確立了亞臨界層漩渦脫落合理建模方法。 2建立了三維圓柱繞流模型，研究了三維效應對渦泄及尾流的影響。同時基于Morrison方程計算潛標系留繩纜水中的姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)建立斜圓柱繞流模型，分析了來流與圓柱呈現(xiàn)一定傾角時的漩渦脫落以及結構所受水彈性力的變化規(guī)律。 3基于文獻中的水池實驗參數(shù)對彈性支撐的二維圓柱渦激振動進行了模擬，并與實驗結果對比驗證了模型的有效性。同時基于二維流固耦合模擬，研究了結構頻率與渦泄頻率之間關系，觀察到渦激振動自鎖現(xiàn)象，并得到了響應頻率、相位、幅值的相關規(guī)律。 4基于CFD-FEA雙向流固耦合對全尺度的受拉柔性繩纜進行三維時域渦激振動預報方法研究，分析了大變形流固耦合問題動網(wǎng)格控制技術，同時對一種真實潛標系留繩纜進行了全尺度渦激振動數(shù)值模擬，并對其流場、結構振動、耦合振型與頻率等方面展開研究。 本文的主要研究工作致力于三維全尺度的大柔性細長結構渦激振動預報，對于海洋工程中低頻柔性結構流固耦合大變形數(shù)值模擬研究提供了有益的參考。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：P715.5
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文第 1 章 緒 論題背景及研究的目的和意義潛標系統(tǒng)是一種利用系留繩纜系統(tǒng)固定于特定海域進行海設備。20 世紀 50 年代最早在美國發(fā)展起來，由于其隱蔽性點，如今已被廣泛應用于海洋水文監(jiān)測、海洋地形測量、以方面。但是由于海洋工作環(huán)境復雜，保證潛標測量系統(tǒng)在惡構穩(wěn)定性和優(yōu)越的測量抗干擾能力一直是一個關鍵性難題，尤為重要，因為其優(yōu)劣直接決定了接收信號的可靠程度。圖為潛標系統(tǒng)和系纜示意圖。

?蛭?溆帕又苯泳齠?私郵招藕諾目煽砍潭�。�?1-1 與圖1-2 分別為潛標系統(tǒng)和系纜示意圖。圖 1-1 潛標系統(tǒng)示意圖 圖 1-2 潛標系留繩纜示意圖早期的潛標系統(tǒng)主要用于海洋環(huán)境剖面基本資料的獲取，因而通過姿態(tài)計算確定的結構可靠性是其設計的主要標準。隨著潛標應用的拓展，尤其當被賦予復雜的軍事用途時，越來越多的潛標被要求具有高靈敏度的波頻信號監(jiān)聽與采集能力。因此由于潛標體及其系留繩纜耦合產(chǎn)生的響應而引起波頻信號干擾已成為制約潛標系統(tǒng)測量穩(wěn)定性和靈敏性的關鍵技術性難題。因此僅僅進行系統(tǒng)的姿態(tài)分析不足以滿足需求，還需要對系統(tǒng)的振動聲學特性進行評估，以最大程度的降低背景噪聲，提高聲納的探測范圍及能力。但當前潛標系統(tǒng)的相關研究較為匱乏，研究也主要集中于其靜力學姿態(tài)及測量系統(tǒng)設計這兩個方面。對于潛標系統(tǒng)的動力學研究而言，其系留繩纜的動力特性是決定整個系統(tǒng)特性的重要組成

因此本文將應用結構與流體直接耦合模擬研究三維全尺度繩纜結構的渦激振動問題。綜上所述對渦激振動的三方面研究各有各自的優(yōu)勢和劣勢，實驗研究可信度最高但成本巨大。經(jīng)驗模型計算效率高、操作簡單，但由于模型依賴于某幾個具體實驗，且流體力模型單一，因而精度和可移植性較差。CFD 數(shù)值模擬由于其成本低廉，參數(shù)控制準確，是渦激振動未來的一個熱門研究方法。如何解決計算成本與精度之間的矛盾，如何控制動網(wǎng)格和網(wǎng)格畸變、如何處理流固交界面數(shù)據(jù)傳遞等一系列難題將成為未來渦激振動 CFD 數(shù)值模擬研究的熱點。1.4 本文的主要研究內容本課題來源于山東省科學院海洋儀器儀表研究所某委托項目，是國家高技術研究發(fā)展計劃（863 計劃）“海洋探測與監(jiān)視部分”的外延課題。本文基于大渦模擬（LES）的計算流體力學（CFD）方法、結構有限元（FEA）方法對水下受拉繩纜渦激振動特性進行了研究。本文的主要研究內容如圖 1-3所示，主要分為 3 個部分。
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本文編號：2852906