月池诱生气泡在船底分布特征试验研究

发布时间：2020-06-06 23:13

【摘要】：月池结构广泛存在于海洋油气资源钻探、海洋能源开发装备中,在特种船舶及水面舰艇中也有重要的应用。由于月池自身内部存在自由液面、底部有开口这一特殊的结构形式,使其受外部水流和波浪作用时,内部流体有可能产生剧烈的共振。我国新一代猎扫雷艇中为了给声纳设备提供安全的工作环境,设置了与月池结构类似的声纳围井结构。为实现声纳的360度全方位升降,现有扫雷艇对此月池结构底部的开口进行了扩大。由于开口扩大,月池后方仪器受月池中气泡的影响,出现了测深仪高航速段误报率高、计程仪对水精度差等问题。因此,对月池内部流体振荡的机理和特性,月池内产生气泡的原因、气泡演化发展的特征和在船底分布的规律开展全面的研究具备极高的学术价值和极强的工程指导意义。本文首先从实验、解析及数值方法三个方面对月池水动力特性的研究进展进行了回顾,同时对剪切层自持振荡和船首波、破碎波吸卷气体的研究现状进行了综述。通过对国内外学者的研究工作进行总结,发现解析方法和半解析方法的绝大部分研究工作集中于二维月池,对三维月池高阶模态的研究尚需进一步发展;在研究中常常忽略月池中设备,仅对空腔月池进行分析,对于计及月池内大型设备影响的月池水动力特性缺乏相关研究;剪切层自持振荡方面的研究大多在较高流速下的无界射流或空腔绕流等问题中开展,当流速远小于声速时月池结构的剪切层自持振荡及其发展特征需要更为深入分析;现有研究中尚未见到关于月池中气泡的研究,月池内气泡产生机理和演化发展的规律、气泡从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气泡的措施是目前亟待解决的难题。为此本文从理论和实验两个方面开展了研究工作。在线性势流理论的假设下,建立了二维和三维矩形开口月池流体振荡的基本方程,在求解过程中引入改进的傅立叶级数方法,把速度势函数假设为标准的傅立叶级数与辅助函数之和的形式,通过建立傅立叶级数中未知系数的方程组,将原有问题中偏微分方程的求解转化为一个标准的特征值问题。通过与文献中的结果对比,对改进的傅立叶级数方法的有效性进行验证。通过求解不同尺度下月池的固有振荡频率和模态,系统地分析了月池尺度对固有振荡特性的影响,指出了对频率变化更为敏感的月池尺度参数。考虑到数值方法和解析方法对月池中气泡问题研究的局限性,建立了月池诱生气泡特性试验系统,设计了拖曳水池不通气船模试验及拖曳水池通气PIV试验两种类型的试验,采用了高速摄像机、动态压力传感器、水下PIV测试系统等多种测量手段,对考虑大型设备影响时月池内及船底的气泡特性进行了系统和全面的研究。在拖曳水池不通气船模试验中主要是对月池中气泡产生的机理进行分析,根据不同航速和月池中流体不同振荡模式下高速摄像记录的月池中气泡的情况的对比,确定月池中气泡产生的原因。同时,对复杂边界月池在均匀流和浪流共同作用时流体振荡的特征进行分析,通过经验模态分解方法对动态压力传感器的数据进行分析,从试验测得的压力振荡结果中分离出代表月池底部剪切层自持振荡的本征模态函数,对月池结构的剪切层振荡的频率特征和反馈方式进行总结,结合高速摄像机拍摄的自由液面振荡的试验现象,分析均匀流和浪流共同作用不同激励模式下的振荡机理。结合船底部测试得到的压力数据,对剪切层向船尾发展的问题进行了探索,指出了船底部波动的现象。拖曳水池通气PIV试验主要是对气泡在船底的分布规律开展研究,针对船模试验高航速段航行时间短、气泡量少的问题,在试验中设计了人工通气装置模拟实船气泡环境。通过对航行过程中水下相机单帧拍摄的图像整体叠加,从统计的角度对四个典型截面的气泡分布特征进行了分析,充分考虑了月池开口形式及型线变化、航速和通气量等参数改变对气泡分布规律的影响,获取了船底气泡层分布的宽度、厚度和气泡集中分布区域位置等关键信息,结合实船实验的结果对拖曳水池通气PIV试验数据的有效性进行验证。在对月池流体振荡和气泡产生的机理有了充分认识的基础上,从控制月池底部流动分离以减小外部浪流等载荷对月池的激励、增加月池内流体系统的阻尼消耗流体运动的能量、减小月池内气泡的产生及泄出和改善气泡在船底的分布四个角度,设计了腔口挡板、腔内阻尼板、腔口封板、导流槽、收流板和分流板等多种抑制措施,并进行了模型试验对这些抑制措施的效果进行了验证。在试验中发现腔口挡板和腔内阻尼板的组合措施有效地减小了月池中的流体振荡,并大幅降低了月池中气泡产生的速度和气泡量,而导流槽和收流板的组合措施则大幅优化了气泡在船底的分布,对实际工程中问题的解决有较强的指导意义并提供了坚实的技术支撑。
【图文】：

月池,猎扫雷艇,互联网,图片

１．１研究背景及意义逡逑月池是底部存在开口，四周设有围壁，在垂向上贯穿船体，腔内有自由液面且与外逡逑部海水相连的一类结构（如图１．１所示），在海底矿物资源钻探、海洋能源开发等领域及逡逑水面舰艇中均有重要的应用。逡逑逦逦二邋ｘ逦邋／邋Ｎ逡逑＼中纵剖面图逦ｎ邋ｒ逦７自由液面逦ｒｆ邋ｉ．ｉ逡逑丨邋Ｈ、逦卜一逡逑逦丨１逦邋月池结构＇邋／逡逑—谢见图？逦／逦＾横剖面图逡逑１逦ｍ池结构）逡逑逦ＣＺＩ逦＾逡逑？夕逡逑图Ｕ月池结构示意图逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｍｏｏｎｐｏｏｌ逡逑比如在深海油气开采工程中，张力腿平台、Ｓｐａｒ平台和立柱式平台等浮式油气生产逡逑系统为安装立管或铺设管线，在海洋平台结构的中部开设了月池结构；在钻井船、科考逡逑船、铺管船等特种船舶在船体中设置了月池以保证作业过程中可方便安全地下放ＲＯＶ逡逑等设备；振荡浮子式、振荡水柱式波能转换装置中设置气室使波浪能转化为浮子的势能逡逑或空气的动能进行利用，气室实际上就是典型的月池。海洋工程、特种船舶及波能采集逡逑装置中的月池结构如图１．２所示。逡逑＾＾■：g邋｜ｐ｜－邋ｊ｜Ｍ逡逑（ａ）邋Ｓｐａｒ平台（图片来自互逦＆朴肌丨ｍｉ逦（ｃ）波能采集装置（图片来逡逑联网）逦（ｂ）逦自互联网）逡逑图１．２月池在海洋工程及海洋能源领域中的应用逡逑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结构形式，自身存在活塞运动和晃荡运动两种固有的运动模式ｗ，逡逑当外部浪流等激励频率与其流体固有的振荡频率相近时

月池,活塞运动,波浪

第１章绪论逡逑活塞运动和晃荡运动幅值的影响。图１．６给出的是Ｙａｎｇ在实验中观测到的未安装潜水逡逑箱结构的月池在波浪中的活塞运动，从图中可以清晰看出月池内自由液面相对入射波波逡逑面的上升和Ｆ降运动，该现象表明月池中流体产生共振时其运动的幅度远大于月池外流逡逑体运动。金瑞健（２０１６）邋＾通过对比船模在月池开启和月池关闭时航行的阻力，，分析了逡逑月池对船舶阻力的影响，并讨论了格栅开孔和月池底部倒圆角等月池优化方案的效果。逡逑Ｇｕｏ邋（２０１６，邋２０１７）逦对带凹槽的月池中液体振荡特性开展研究，指出当月池在规则波逡逑作用下仅存在一个激励源时，月池内流体运动也有多个模态被激励起，而此类凹槽结构逡逑引入了干扰效应将加剧月池内的共振响应。Ｍａｇｅｅ邋（２０１８）邋％在波浪水槽中对月池在波逡逑浪中的受力情况及内部流体振荡规律开展了研究，试验中观测到了活塞运动和第一阶晃逡逑荡运动
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.77

【参考文献】