月池流噪声及水动力特性的实验研究

论文摘要

随着海洋开发的进一步深入，为了方便收放设备、潜水钟或铺设缆线、安装立管等，越来越多的工程船如科研船、钻井船、铺缆船、近海工程补给船等，在船体上布置了垂向上贯穿船体，内外海水相连，腔内有自由液面的月池结构。对于月池内的流体，存在着两类固有振荡现象，一类是流体沿月池深度方向的固有振荡现象，称为“活塞（Piston）”现象；另一类是流体液面在月池内的左右振荡现象，称为“晃荡（Sloshing）”现象。这两类固有振荡的频率都与月池的结构形式、尺寸及腔内吃水有关，当来流干扰频率与之相一致，将激起月池内流体的共振。此外在均匀流的条件下，在月池口还将产生流噪声，这都将对船体的正常工作带来不利的影响。因此有必要对月池内流体的水动力及流噪声特性进行研究，为月池的设计提供参考。经验模态分解（EMD）法的创新之处在于通过对原始信号的分解可以得到与一定的物理意义相对应的本征模态函数（IMF），从而可以对复杂的实验信号进行分析。因此本文采用该分析方法以及对比研究的实验方法（对比有月池和无月池时的实验结果），在水池环境中对圆形和方形月池的流噪声及水动力特性开展了实验研究，来流条件设为均匀流、波浪和浪流联合作用。通过对实验结果的分析，本文认为在均匀流的条件下，剪切层自持振荡为月池内流体活塞振荡的激励源，该振荡频率与流速有关，随着流速的增加而升高。当其与月池内流体振荡固有频率相近时，将引发流体的共振现象，有活塞现象出现，并且本文认为对于流体在月池内的振荡也存在类似于圆柱涡激振动的“锁定（Lock-in）”现象。本文将月池内流体的活塞振荡视为一质量-弹簧振动系统，在一定假设的前提下对其振荡固有频率进行了计算，所得结果与实验值吻合的较好。在波浪及浪流的条件下，月池内流体受到的激励力来自于波浪的扰动，这与在均匀流条件下，激励力来自于剪切层自持振荡相比有所不同，因此月池内流体的运动特性与均匀流条件下相比有较大的变化。并且分别在波浪与浪流条件下，月池内的流体在不同波浪周期时都表现出不同的运动特性，其主要区别在于在不同波浪周期的条件下，月池内流体表现出自激振荡的运动特性还是强迫振荡的运动特性。通过分析，本文提出了临界值假设对此进行了解释。实验中发现，在波浪周期为2秒的浪流条件下，当遭遇频率与月池内流体活塞振荡固有频率相近时，将引发月池内流体的共振现象；当遭遇频率略小于活塞振荡固有频率时，月池内流体的振荡呈现类似于结构振动中的“拍”现象的特点；当遭遇频率略大于活塞振荡固有频率时，则没有“拍”现象出现，并且对于圆形和攻角为0度时的方形月池，无论浪流激励频率略小于还是略大于活塞振荡固有频率时都没有“拍”现象出现。因此本文认为月池内“拍”现象的出现与月池的结构形式、攻角、激励力频率的范围等有关，与结构振动中的“拍”现象有所区别。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 腔体流激振荡及流噪声现象的国内外研究现状及分析
• 1.2.2 容器内流体晃荡的国内外研究现状及分析
• 1.2.3 月池内流体振荡特性的国内外研究现状及分析
• 1.3 论文主要工作
• 第2章 月池模型实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验模型设计
• 2.2.1 导流板长度的确定
• 2.2.2 实验模型设计
• 2.2.3 压力传感器布置的数值计算研究
• 2.2.4 测量设备的布置
• 2.3 IMF分析方法及对比实验研究法的可行性试验设计
• 2.4 实验工况
• 2.5 各类参数的定义
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于EMD的IMF信号分析方法在月池流噪声实验中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 基于经验模态分解（EMD）的本征模态函数（IMF）分析方法的简介
• 3.2.1 Fourier变换与基于EMD的IMF分析方法的比较
• 3.2.2 瞬时频率与本征模态函数
• 3.2.3 经验模态分解
• 3.2.4 Hilbert谱和边缘谱（Marginal Spectrum）
• 3.2.5 振动信号仿真研究
• 3.3 基于EMD的IMF信号分析法在水池流噪声实验中的应用
• 3.3.1 均匀流条件下水听器实验信号分析
• 3.3.2 波浪及浪流条件下水听器实验信号分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 均匀流条件下月池流体运动与机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 均匀流条件下实验现象分析
• 4.3 月池内流体振荡结果及机理分析
• 4.4 月池内吃水变化分析
• 4.5 月池内流体活塞振荡固有频率分析
• 4.6 月池侧壁压力分析
• 4.6.1 压力在月池口周向和垂向上的分布
• 4.6.2 压力随Fn数变化的分析
• 4.7 均匀流条件下月池内流体振荡现象的数值分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 波浪条件下月池流体运动与机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 波浪条件下的实验现象分析
• 5.3 波浪条件下流体振荡的临界值假设
• 5.4 波浪条件下月池内流体振荡分析
• 5.4.1 月池内流体振荡结果分析
• 5.4.2 月池侧壁压力分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 浪流条件下月池流体运动与机理分析
• 6.1 引言
• 6.2 浪流条件下的实验现象分析
• 6.2.1 波浪周期为1秒时浪流条件下实验现象分析
• 6.2.2 波浪周期为2秒、3秒时浪流条件下实验现象分析
• 6.3 浪流条件下流体振荡特性分析
• 6.3.1 月池内流体振荡特性分析
• 6.3.2 月池侧壁压力分析
• 6.4 浪流条件下月池内流体振荡分岔现象
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢