月池中流体活塞和晃荡运动的研究

发布时间：2017-07-08 17:04

  本文关键词：月池中流体活塞和晃荡运动的研究

  更多相关文章： 月池 活塞运动 晃荡运动 分离变量法 水动力特性 共振频率

【摘要】：随着人们对各种形式海洋资源的需求日趋迫切，船舶与海洋工程界不断研发出许多深海浮式生产系统，例如：钻井船、立柱式平台、浮式钻井生产储油轮等。振荡浮子式、水柱式、鸭式、摆式等多种形式的波能转换装置也被应用到海洋波能的采集中。在这些深海平台及波能转换装置中，经常设置月池结构，垂向贯穿浮体结构主体，或为安装立管、或为下放设备、或为采集波能。 海水通过月池底部的开口涌入月池内部，在某些情况下发生剧烈的振荡。其中，月池内流体的自由液面趋于水平，流体整体沿垂直方向的上下振荡，类似于发动机缸内活塞的运动，通常被称作“活塞”现象；而月池内的流体沿水平方向的左右振荡，类似于水箱内的液体晃荡运动，通常被称作“晃荡”现象。这两类共振现象的发生，既可以损坏钻井船、立柱式平台月池内的设备，也可以被用来提高波能转换装置的工作效率。因此，调查研究月池内部流体活塞和晃荡现象发生的规律是非常必要的。 相对于实验方法和数值方法来说，解析方法较易确定物理量之间的关系。本文利用解析方法在这方面的优势，建立了矩形、半圆形、圆柱形、半球形月池的绕射和辐射问题的完整解析求解过程。根据边界条件的不同特点，将浮体周围流场划分为不同的区域；采用分离变量法，以无穷级数（三角函数、修正贝塞尔函数、连带勒让德函数）的形式给出各区域中含未知系数的绕射与辐射速度势的表达式；通过各子区域交界面处的速度连续与压力连续，建立方程组求解无穷级数表达式中的未知系数。通过解析方法中的恒等关系，如，水动力系数的对称性关系，阻尼系数、波浪激励力的的近场与远场计算方法，水平漂移力的中场与远场计算公式，验证了解析求解过程的正确性。并将解析结果与多域边界元结果作比较，讨论了二者之间的异同。并将二维矩形月池、垂直圆柱形月池的解析结果与模型试验结果作比较，分别从月池中心处自由液面升高的幅度和其对应的频率出发，考察了线性势流理论在研究月池水动力学问题中的合理性和不足之处。 在此基础上，讨论了月池底部没有开口的特殊情况，研究了矩形、半圆形、圆柱形、半球形水箱内部流体的晃荡运动特性。并分别从浮体的辐射和绕射问题出发，考察了不同形式的月池在运动和静止两种情况下，其内部流体在不同的激励下引起的共振现象。研究发现，矩形、半圆形、圆柱形、半球形月池均具有一个较小的活塞自然频率和一系列的晃荡自然频率。当浮体的强迫运动频率或入射波的频率与月池的活塞自然频率接近时，会引起月池内部流体的垂向剧烈运动。当浮体的强迫运动频率与月池的晃荡频率接近时，会引起月池内部流体的纵向剧烈运动或绕轴转动。然而，当入射波的频率与月池的晃荡频率接近时，并不会引起月池内部自由液面的剧烈晃荡。 本文还研究了月池底部开口大小、壁厚等参数对月池的水动力特性的影响。结果表明，月池底部开口大小对月池反对称运动的水动力特性影响很小，对月池晃荡频率的影响也可忽略；并且矩形、半圆形、圆柱形、半球形月池的晃荡频率可以分别采用对应形式水箱的晃荡频率公式作近似估计。然而，底部开口大小对月池对称运动的水动力特性影响显著，，包括活塞频率和垂荡运动水动力曲线上峰值的幅度。
【关键词】：月池 活塞运动 晃荡运动 分离变量法 水动力特性 共振频率
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661;P743.2
【目录】：

• 附件5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 研究背景、目的和意义13-14
• 1.2 月池内共振问题的主要研究方法及现状14-23
• 1.2.1 实验方法14-15
• 1.2.2 数值方法15-18
• 1.2.3 解析方法18-23
• 1.3 主要研究内容及创新点23-26
• 1.3.1 主要研究内容23-24
• 1.3.2 主要创新点24-26
• 第二章 月池水动力学问题的数学模型和多域边界元法求解26-39
• 2.1 引言26
• 2.2 月池水动力学问题的数学描述26-31
• 2.3 速度势的多域边界元求解方法31-33
• 2.4 水动力的计算33-38
• 2.4.1 一阶水动力的计算33-36
• 2.4.2 漂移力的计算36-38
• 2.5 小结38-39
• 第三章 矩形月池的绕射和辐射问题39-71
• 3.1 引言39
• 3.2 物理问题及数学描述39-40
• 3.3 速度势的求解过程40-46
• 3.3.1 子区域速度势的级数展开40-42
• 3.3.2 未知系数的求解42-46
• 3.4 水动力的计算46-51
• 3.4.1 辐射作用力和水动力系数46-48
• 3.4.2 波浪激励力48-49
• 3.4.3 漂移力49-51
• 3.5 结果及分析51-70
• 3.5.1 结果验证51-62
• 3.5.2 矩形月池的水动力特性研究62-70
• 3.6 小结70-71
• 第四章 水波与半圆形月池的相互作用71-102
• 4.1 引言71
• 4.2 问题描述和求解过程71-88
• 4.2.1 半圆形月池绕射速度势的求解72-80
• 4.2.2 半圆形月池辐射速度势的求解80-84
• 4.2.3 半圆形月池的水动力计算84-88
• 4.3 分析与讨论88-100
• 4.3.1 结果验证88-92
• 4.3.2 底部无开口的特殊情况92-96
• 4.3.3 半圆形月池的共振特性研究96-98
• 4.3.4 底部开口对半圆形月池水动力特性的影响98-100
• 4.4 小结100-102
• 第五章 垂直圆柱形月池的水动力特性研究102-126
• 5.1 引言102
• 5.2 控制方程和边界条件102-103
• 5.3 空间速度势的求解过程103-111
• 5.4 结果与讨论111-125
• 5.4.1 结果验证111-116
• 5.4.2 圆柱形月池内部的流体共振现象116-120
• 5.4.3 月池底部开口大小的影响120-123
• 5.4.4 月池壁厚的影响123-125
• 5.5 小结125-126
• 第六章 半球形月池内的共振现象研究126-151
• 6.1 引言126
• 6.2 解析过程的建立126-136
• 6.2.1 绕射速度势的求解过程127-130
• 6.2.2 辐射速度势的求解过程130-133
• 6.2.3 半球形月池的水动力计算133-136
• 6.3 分析与讨论136-150
• 6.3.1 结果验证136-140
• 6.3.2 半球形水箱内的晃荡频率研究140-145
• 6.3.3 半球形月池内的共振现象研究145-148
• 6.3.4 半球形月池底部开口大小的影响148-150
• 6.4 小结150-151
• 第七章 总结与展望151-153
• 7.1 总结151-152
• 7.2 研究展望152-153
• 参考文献153-167
• 攻读博士学位期间已发表或录用的学术论文167-168
• 致谢168-169

【参考文献】

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本文编号：535448