月池中流體活塞和晃蕩運動的研究.pdf

1、隨著人們對各種形式海洋資源的需求日趨迫切,船舶與海洋工程界不斷研發(fā)出許多深海浮式生產(chǎn)系統(tǒng),例如:鉆井船、立柱式平臺、浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪等。振蕩浮子式、水柱式、鴨式、擺式等多種形式的波能轉(zhuǎn)換裝置也被應用到海洋波能的采集中。在這些深海平臺及波能轉(zhuǎn)換裝置中,經(jīng)常設置月池結(jié)構(gòu),垂向貫穿浮體結(jié)構(gòu)主體,或為安裝立管、或為下放設備、或為采集波能。
　　海水通過月池底部的開口涌入月池內(nèi)部,在某些情況下發(fā)生劇烈的振蕩。其中,月池內(nèi)流體的自由液面趨于

2、水平,流體整體沿垂直方向的上下振蕩,類似于發(fā)動機缸內(nèi)活塞的運動,通常被稱作“活塞”現(xiàn)象;而月池內(nèi)的流體沿水平方向的左右振蕩,類似于水箱內(nèi)的液體晃蕩運動,通常被稱作“晃蕩”現(xiàn)象。這兩類共振現(xiàn)象的發(fā)生,既可以損壞鉆井船、立柱式平臺月池內(nèi)的設備,也可以被用來提高波能轉(zhuǎn)換裝置的工作效率。因此,調(diào)查研究月池內(nèi)部流體活塞和晃蕩現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律是非常必要的。
　　相對于實驗方法和數(shù)值方法來說,解析方法較易確定物理量之間的關系。本文利用解析方法在這

3、方面的優(yōu)勢,建立了矩形、半圓形、圓柱形、半球形月池的繞射和輻射問題的完整解析求解過程。根據(jù)邊界條件的不同特點,將浮體周圍流場劃分為不同的區(qū)域;采用分離變量法,以無窮級數(shù)(三角函數(shù)、修正貝塞爾函數(shù)、連帶勒讓德函數(shù))的形式給出各區(qū)域中含未知系數(shù)的繞射與輻射速度勢的表達式;通過各子區(qū)域交界面處的速度連續(xù)與壓力連續(xù),建立方程組求解無窮級數(shù)表達式中的未知系數(shù)。通過解析方法中的恒等關系,如,水動力系數(shù)的對稱性關系,阻尼系數(shù)、波浪激勵力的的近場與遠場

4、計算方法,水平漂移力的中場與遠場計算公式,驗證了解析求解過程的正確性。并將解析結(jié)果與多域邊界元結(jié)果作比較,討論了二者之間的異同。并將二維矩形月池、垂直圓柱形月池的解析結(jié)果與模型試驗結(jié)果作比較,分別從月池中心處自由液面升高的幅度和其對應的頻率出發(fā),考察了線性勢流理論在研究月池水動力學問題中的合理性和不足之處。
　　在此基礎上,討論了月池底部沒有開口的特殊情況,研究了矩形、半圓形、圓柱形、半球形水箱內(nèi)部流體的晃蕩運動特性。并分別從浮體

5、的輻射和繞射問題出發(fā),考察了不同形式的月池在運動和靜止兩種情況下,其內(nèi)部流體在不同的激勵下引起的共振現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),矩形、半圓形、圓柱形、半球形月池均具有一個較小的活塞自然頻率和一系列的晃蕩自然頻率。當浮體的強迫運動頻率或入射波的頻率與月池的活塞自然頻率接近時,會引起月池內(nèi)部流體的垂向劇烈運動。當浮體的強迫運動頻率與月池的晃蕩頻率接近時,會引起月池內(nèi)部流體的縱向劇烈運動或繞軸轉(zhuǎn)動。然而,當入射波的頻率與月池的晃蕩頻率接近時,并不會引起月