水下受拉绳缆绕流涡泄及涡激振动研究

发布时间：2020-10-23 10:20

　　 水下潜标系统是一种利用系留绳缆固定于海底进行信号收集的装置，系统抗扰能力直接决定了接收信号的可靠程度。而系统中系留绳缆的动力特性是决定整个系统动力响应的重要组成部分，受拉柔性绳缆由于绕流会产生周期性的涡泄从而引起交变激振力，因而结构会发生涡激振动从而产生干扰频响信号。对大柔性细长体结构漩涡脱落和涡激振动进行研究可以预报系留系统干扰频段，同时对海洋工程中的此类细长结构，如系缆、立管等也有重要意义。 本文旨在建立基于CFD-FEA双向流固耦合的大柔性细长结构涡激振动时域预报方法，分别从亚临界层定圆柱绕流漩涡脱落建模规律、三维直（斜）圆柱绕流模拟与分析、动网格技术、弹性支撑的二维圆柱涡激振动自锁研究以及三维全尺度涡激振动预报研究等方面展开。具体研究内容如下： 1基于LES方法对亚临界层定圆柱绕流漩涡脱落模型影响因素进行了分析，研究了几何模型尺度、网格划分方式、亚格尺度模型选择、初始边界条件和时间步长对模拟结果的影响规律，确立了亚临界层漩涡脱落合理建模方法。 2建立了三维圆柱绕流模型，研究了三维效应对涡泄及尾流的影响。同时基于Morrison方程计算潜标系留绳缆水中的姿态，根据姿态建立斜圆柱绕流模型，分析了来流与圆柱呈现一定倾角时的漩涡脱落以及结构所受水弹性力的变化规律。 3基于文献中的水池实验参数对弹性支撑的二维圆柱涡激振动进行了模拟，并与实验结果对比验证了模型的有效性。同时基于二维流固耦合模拟，研究了结构频率与涡泄频率之间关系，观察到涡激振动自锁现象，并得到了响应频率、相位、幅值的相关规律。 4基于CFD-FEA双向流固耦合对全尺度的受拉柔性绳缆进行三维时域涡激振动预报方法研究，分析了大变形流固耦合问题动网格控制技术，同时对一种真实潜标系留绳缆进行了全尺度涡激振动数值模拟，并对其流场、结构振动、耦合振型与频率等方面展开研究。 本文的主要研究工作致力于三维全尺度的大柔性细长结构涡激振动预报，对于海洋工程中低频柔性结构流固耦合大变形数值模拟研究提供了有益的参考。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P715.5
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章 绪 论题背景及研究的目的和意义潜标系统是一种利用系留绳缆系统固定于特定海域进行海设备。20 世纪 50 年代最早在美国发展起来，由于其隐蔽性点，如今已被广泛应用于海洋水文监测、海洋地形测量、以方面。但是由于海洋工作环境复杂，保证潜标测量系统在恶构稳定性和优越的测量抗干扰能力一直是一个关键性难题，尤为重要，因为其优劣直接决定了接收信号的可靠程度。图为潜标系统和系缆示意图。

?蛭?溆帕又苯泳龆?私邮招藕诺目煽砍潭取Ｍ?1-1 与图1-2 分别为潜标系统和系缆示意图。图 1-1 潜标系统示意图 图 1-2 潜标系留绳缆示意图早期的潜标系统主要用于海洋环境剖面基本资料的获取，因而通过姿态计算确定的结构可靠性是其设计的主要标准。随着潜标应用的拓展，尤其当被赋予复杂的军事用途时，越来越多的潜标被要求具有高灵敏度的波频信号监听与采集能力。因此由于潜标体及其系留绳缆耦合产生的响应而引起波频信号干扰已成为制约潜标系统测量稳定性和灵敏性的关键技术性难题。因此仅仅进行系统的姿态分析不足以满足需求，还需要对系统的振动声学特性进行评估，以最大程度的降低背景噪声，提高声纳的探测范围及能力。但当前潜标系统的相关研究较为匮乏，研究也主要集中于其静力学姿态及测量系统设计这两个方面。对于潜标系统的动力学研究而言，其系留绳缆的动力特性是决定整个系统特性的重要组成

因此本文将应用结构与流体直接耦合模拟研究三维全尺度绳缆结构的涡激振动问题。综上所述对涡激振动的三方面研究各有各自的优势和劣势，实验研究可信度最高但成本巨大。经验模型计算效率高、操作简单，但由于模型依赖于某几个具体实验，且流体力模型单一，因而精度和可移植性较差。CFD 数值模拟由于其成本低廉，参数控制准确，是涡激振动未来的一个热门研究方法。如何解决计算成本与精度之间的矛盾，如何控制动网格和网格畸变、如何处理流固交界面数据传递等一系列难题将成为未来涡激振动 CFD 数值模拟研究的热点。1.4 本文的主要研究内容本课题来源于山东省科学院海洋仪器仪表研究所某委托项目，是国家高技术研究发展计划（863 计划）“海洋探测与监视部分”的外延课题。本文基于大涡模拟（LES）的计算流体力学（CFD）方法、结构有限元（FEA）方法对水下受拉绳缆涡激振动特性进行了研究。本文的主要研究内容如图 1-3所示，主要分为 3 个部分。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李立,廖锦翔;涡激振动问题的有限元计算研究[J];工程力学;2003年05期

2 潘志远;崔维成;张效慈;;细长海洋结构物涡激振动研究综述(英文)[J];船舶力学;2005年06期

3 赵刘群;庞亚平;;近底管线绕流及涡激振动的二维有限元数值模拟[J];水道港口;2007年04期

4 方平治;杜明侠;顾明;;两自由度椭圆柱体涡激振动的数值模拟[J];振动与冲击;2009年01期

5 方平治;顾明;谈建国;;典型2维柱体涡激振动的数值模拟研究[J];同济大学学报(自然科学版);2009年07期

6 刘晓春;郭海燕;张永波;张文冬;;月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2011年04期

7 姚熊亮，陈起富，徐文景，李维扬;并列弹性双圆柱在均匀流场中的流体激励力的研究[J];力学学报;1994年01期

8 潘志远;崔维成;缪泉明;;细长海洋立管涡激振动预报模型(英文)[J];船舶力学;2006年03期

9 任大朋;黄一;刘刚;;一种基于ANSYS和FLUENT的海洋立管的涡激响应分析方法[J];中国海洋平台;2007年04期

10 娄敏;郭海燕;董文乙;;敲击对海洋立管涡激振动抑制作用的试验研究[J];水动力学研究与进展A辑;2007年04期

相关博士学位论文 前10条

1 李小超;海底管线悬跨段涡激振动响应的实验研究与数值预报[D];大连理工大学;2011年

2 张永波;深海输液立管涡激振动预报及抑振技术研究[D];中国海洋大学;2011年

3 何长江;柔性立管涡激振动试验与数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年

4 艾尚茂;管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

5 宋吉宁;立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟[D];大连理工大学;2012年

6 唐国强;立管涡激振动数值模拟方法及物理模型实验[D];大连理工大学;2011年

7 吴学敏;考虑大变形的深水立管涡激振动非线性分析方法研究[D];中国海洋大学;2013年

8 娄敏;海洋输流立管涡激振动试验研究及数值模拟[D];中国海洋大学;2007年

9 孙胜男;悬浮隧道动力响应分析[D];大连理工大学;2008年

10 孙友义;深水钻井隔水管强度评价方法及应用研究[D];中国石油大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 王建勋;水下受拉绳缆绕流涡泄及涡激振动研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 王微微;考虑平面旋转和顺流向振动的海洋立管涡激振动数值模拟[D];天津大学;2012年

3 孙飞;涡激振动潮流能转换装置获能原理研究[D];中国海洋大学;2013年

4 樊娟娟;顶张力立管流固耦合的涡激振动数值模拟[D];天津大学;2012年

5 胡克;基于涡激振动实验的渔场浮体水动力数值模拟[D];大连理工大学;2010年

6 秦伟;涡激振动的非线性振子模型研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

7 顾恩凯;考虑流固耦合的大位移柔性立管涡激振动研究[D];中国海洋大学;2012年

8 赵鹏良;隔水管及附属整流罩涡激振动的流固耦合模拟研究[D];上海交通大学;2011年

9 王媛;海洋立管涡激振动抑振装置的CFX数值模拟研究[D];中国海洋大学;2013年

10 张友林;海洋立管涡激振动抑制方法研究[D];江苏科技大学;2011年

本文编号：2852906