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筒型和翼型结构旋涡发放问题的数值仿真研究

作　者: 张营川
导　师: 赵德有；马骏
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 旋涡发放涡激共振精细积分法涡激力推进相容拉格朗日-欧拉方法
分类号: U661.4
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 65次
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内容摘要

结构旋涡发放问题通常指的是静止结构的涡激共振现象,即对于来流中的静止结构,流体会在结构后方产生交替的旋涡发放,形成垂直来流方向的涡激升力和顺来流方向的阻力,当旋涡发放频率接近结构固有频率时,引起涡激共振,涡激力的长期作用会造成结构的疲劳损伤。在船舶工程领域,相关研究热点主要是筒型的深海立管及平台桩腿在流载荷作用下的涡激共振响应研究,以及筒型的船舶桅杆在风载荷作用下的涡激共振响应研究；实际上,结构旋涡发放问题还应该包含运动结构的涡激力推进现象,即对于来流中原本静止的结构,在被施加以垂直来流方向的往复运动时,由于结构运动的影响,旋涡发放产生的涡激升力和阻力的方向与来流方向形成一定的夹角,特定的条件下它们在来流方向上的合力会推动结构逆流前进。在船舶工程领域,采用翼型结构以获得更大的涡激力作为推力,相关的研究热点主要是仿生鱼推进器、单翼推进器以及双翼地效推进器的原理和应用。综上所述,本文选取有代表性的筒型结构和翼型结构作为具体的研究对象,通过对它们的旋涡发放过程进行数值仿真研究,尝试把结构的旋涡发放问题表述完整,将之划分为两个部分：即静止结构在来流中的旋涡发放问题和运动结构在来流中的旋涡发放问题,它们都隶属于结构旋涡发放这一大的概念之中。本文研究工作的具体内容和主要结论为：在筒型结构旋涡发放问题的研究方面,引入精细积分方法代替传统的Newmark-β方法,对船舶筒型桅杆在空气中的涡激共振响应进行了数值求解,这部分内容反应了静止结构旋涡发放现象的危害性。1.改进了风载荷作用下筒型结构涡激共振方程的数值求解方法,并拓展了精细积分算法的工程应用领域。遵循精细积分方法的基本思想,独自推导了外激励四次多项式拟合时的精细积分递推公式；在精细积分算法中,对比和分析了不同参考文献提供的外激励多项式拟合系数的求解方法,以及它们各自的特点和应用范围；以11万吨成品油船试航时的实测数据为基础,编写了Newmark-β法、精细积分线性算法、精细积分二次多项式算法、精细积分四次多项式算法和精细积分简谐算法的matlab程序,将上述数值方法的计算结果和实测结果对比后,绘制了精度对比曲线。基于数值方法的计算稳定性和计算精度,在船舶筒型桅杆的涡激共振响应求解中,确定精细积分简谐算法是最佳的求解方法。2.计算得到了船舶筒型桅杆在覆盖一定厚度冰层情况下的风致涡激共振响应,并分析了涡激共振响应与裹冰因素的具体关系。在桅杆裹冰状态下,涡激共振响应随裹冰厚度增加而增大；当裹冰的厚度相同时,裹冰的密度越小,船舶桅杆结构涡激共振响应越大；裹冰后桅杆阻尼、质量和迎风面积等因素会发生改变,具体的计算结果说明,迎风面积的增加是涡激共振响应增加的主要原因。在翼型结构旋涡发放问题的研究方面,引入相容拉格朗日—欧拉方法代替传统的拉格朗日动网格方法,对翼型结构在水中的旋涡发放现象进行了数值计算。由于问题的复杂性,选取了两个典型的算例,其中,双翼地效推进器的翼型结构在水中利用涡激力推动自身前进,这反应了运动结构的旋涡发放现象可以被合理利用；而螺旋桨推进器的桨叶结构也存在旋涡发放现象,当桨叶随边发放的旋涡频率与桨叶的固有频率接近时,桨叶会产生剧烈振动并发出噪音,这称为螺旋桨“唱音”问题。在本文中,由于计算能力的限制,只研究了一个桨叶的旋涡发放现象,并将桨叶根部进行了刚固处理,前方施加来流模拟桨叶转动时与水的相对运动,所以这部分研究内容实际上也体现了静止结构旋涡发放现象的危害性。1.系统地总结和对比了流固耦合计算中常用的数值方法,阐述了相容拉格朗日—欧拉方法在模型建立和流体运动描述方面的优势。2.研究双翼地效推进器的翼型结构的弹性模量、材料类型和结构变形对仿真结果的影响。针对两组弹性双翼地效推进器,其中一组选用不同的有机材料,而另一组弹性模量层次性递减,分别对其进行推进性能和结构响应数值计算。最终结果表明,随着翼型结构的弹性模量降低,双翼的推力系数和推进效率呈抛物线分布,在一定的弹性模量区间有最佳推进性能。选择合适的有机材料代替钢铁材料,能够有效地提高双翼推进器的性能；双翼局部的应力集中大小随着翼型结构的弹性模量降低而减小,变形较大的翼型结构,其最大应力值较小。3.对螺旋桨桨叶的翼型结构和周围流体建立了有限元模型,通过适当的简化,观察到了桨叶后方旋涡的破裂与相互作用现象；计算得到了桨叶的结构响应,比较分析了桨叶叶面不同位置的响应差别及形成原因。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-25
  1.1 选题的背景与意义  12-15
    1.1.1 筒型结构旋涡发放现象的研究背景与意义  12-13
    1.1.2 翼型结构旋涡发放现象的研究背景与意义  13-15
  1.2 国内外研究现状  15-24
    1.2.1 筒型结构旋涡发放现象的国内外研究现状  15-18
    1.2.2 翼型结构旋涡发放现象的国内外研究现状  18-24
  1.3 本文的主要研究内容  24-25
2 筒型结构旋涡发放现象中应用的涡激共振基本理论  25-34
  2.1 旋涡发放的机理  25-28
  2.2 桅杆结构涡激共振中的频率锁定现象  28-30
  2.3 风致船舶桅杆涡激共振响应计算模型  30-33
    2.3.1 横风向涡激力  30-31
    2.3.2 船舶筒型桅杆有限元模型的建立  31-33
  2.4 本章小结  33-34
3 筒型结构旋涡发放现象的数值计算  34-55
  3.1 涡激共振方程数值求解方法公式推导  35-45
    3.1.1 介绍Newmark-β法公式  35-37
    3.1.2 介绍精细积分线性算法公式  37-38
    3.1.3 独立推导精细积分四次多项式算法公式  38-42
    3.1.4 介绍精细积分简谐算法公式  42-45
  3.2 精细积分方法在筒型结构旋涡发放计算中的可靠性  45-50
    3.2.1 实船筒型桅杆模型  45
    3.2.2 数值计算结果与实测结果对比分析  45-50
  3.3 简化桅杆的裹冰涡激共振响应计算  50-54
    3.3.1 裹冰对船舶桅杆的影响分析  50-51
    3.3.2 裹冰桅杆涡激共振数值计算  51-54
  3.4 本章小结  54-55
4 翼型结构旋涡发放现象中应用的涡激力推进基本理论  55-76
  4.1 涡激力推进的优点  57-58
  4.2 仿生鱼推进原理简述  58-63
  4.3 单翼推进原理简述  63-67
  4.4 双翼地效推进原理  67-75
    4.4.1 "地面效应"的基本概念  67-68
    4.4.2 双翼地效推进器的原理  68-69
    4.4.3 "地面效应"的理论求解方法简介  69-75
  4.5 本章小结  75-76
5 翼型结构旋涡发放现象的数值计算  76-128
  5.1 流固耦合问题的数值求解方法  77-92
    5.1.1 流固耦合问题及数值求解方法的分类  77-80
    5.1.2 流固耦合问题常用数值方法对比分析  80-84
    5.1.3 介绍相容拉格朗日—欧拉法(CLE)原理与公式  84-92
  5.2 双翼地效推进器摆翼旋涡发放的流固耦合计算  92-117
    5.2.1 相容拉格朗日—欧拉方法在摆翼旋涡发放计算中的可靠性  92-96
    5.2.2 双翼地效推进器的"地面效应"  96-99
    5.2.3 柔性摆翼旋涡发放的流固耦合计算  99-117
  5.3 螺旋桨推进器桨叶旋涡发放的流固耦合计算  117-127
    5.3.1 相容拉格朗日—欧拉方法在桨叶旋涡发放计算中的可靠性  117-121
    5.3.2 固定桨叶旋涡发放的流固耦合计算  121-127
  5.4 本章小结  127-128
6 结论与展望  128-134
  6.1 全文工作总结  128-132
  6.2 本文不足之处与未来展望  132-134
参考文献  134-144
攻读博士学位期间发表学术论文情况  144-145
攻读博士学位期间参与的科研项目  145-146
创新点摘要  146-147
致谢  147-149
作者简介  149-150

筒型和翼型结构旋涡发放问题的数值仿真研究

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