船底月池流激振荡特性研究

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1、船底月池流激振荡特性研究3船底月池流激振荡特性研究赵尚辉，刘见华（708研究所，上海200011）摘要：本文研究了船底月池内流体固有振荡特性，给出了船底月池内流体固有振荡频率计算公式。同时开展了船底月池流激振荡试验研究，测量得到了月池口流体剪切层自持振荡的Strouhal数，根据试验结果分析得出了波浪激励下月池内流体的运动特性。在此基础上预报了实船月池的流激振荡特性。研究成果为实船月池的设计提供了理论和试验基础。关键词：月池；流激振荡；流体剪切层自持振荡频率；振荡特性中图分类号：U661.1文献标识码：A文章编号：1005-9962(2010)01-0035-04Abstract:

2、Theflow-inducedoscillationcharacteristicsinthemoonpoolofashiparestudiedinthispaper.Theformulaofthenaturaloscillationfrequencyinthemoonpoolisdeveloped.TheexperimentalinvestigationsofoscillationcharacteristicsinthemoonpoolareintroducedandtheStrouhalnumberofflowshearnonturbulentfreeoscillationint

3、hemoonpoolismeasured.Basedontheexperimentalresults,theflow-inducedoscillationcharacteristicsinthemoonpoolareanalysedandpredicted.Thestudyprovidesatheoreticalandexperimentalbasisforthemoonpooldesign.Keywords:moonpool;flow-inducedoscillation;flowshearnonturbulentfreeoscillationfrequency;oscillat

4、ioncharacteristic船底月池流激振荡特性研究30引言某型船在船舶运动最小的船中部设置了贯穿船底至主甲板的月池。月池相对于船底而言是一陷落腔，当船航行时，陷落腔附近流场会形成流体剪切层，产生流噪声。同时，月池内流体存在“活塞”和“晃荡”两类振荡现象：“活塞”振荡是流体沿月池深度方向的固有振荡；“晃荡”振荡是流体液面在月池内的左右振荡现象。当流体剪切层自持振荡频率等于月池内流体振荡固有频率时，就会产生月池内流体耦合共振；船舶航行于波浪上时，当波浪遭遇频率等于月池内流体振荡固有频率时，也会引起月池内流体耦合共振。月池设置的目的是为了提供一个相对稳定的工作环境，使工程作业不受

5、海上风浪的干扰，但是当有共振现象出现时，月池内流体振荡的幅度将大大增加，当船航行时，共振现象还将产生巨大的阻力，并且在月池内流体大幅晃荡的条件下，船体还将加剧升沉或摇摆运动，从而影响该船的正常航行和工作。第一作者简介：赵尚辉，女，高级工程师。1968年生，1993年华中理工大学船舶与海洋工程系船舶结构专业硕士研究生毕业，长期从事船舶结构设计工作。1船底月池内流体固有振荡特性研究船底月池内流体存在“活塞”和“晃荡”两类振荡现象。这两类固有振荡的频率仅与月池的开口形式、结构尺寸及吃水有关，与月池口水的流速无关。1.1月池内流体活塞振荡频率预报月池内流体的“活塞”振荡可假设为一直径为，厚

6、度为，密度为的圆柱状物体浮在水面沿垂向上下的振动，如图1所示，为月池外流体的流向。不考虑月池内流体与腔外的质量交换、流体的黏性及其与月池侧壁的摩擦，对月池内流体的固有振荡频率进行计算。自由液面HVXR图1月池内流体振荡频率计算月池内流体“活塞”振动方程可写为：(1)式中：——月池内流体的质量；船底月池流激振荡特性研究3——附加质量；——月池横截面面积；——重力加速度。由Morison公式可得浮在水面沿垂向振动的圆柱的附加质量[1]为：(2)式中：——直径；——半径。代入式(1)，可得圆形月池内流体“活塞”振动的固有频率公式为：(3)式中：——“活塞”振动的固有频率，Hz；——月池内

7、吃水深度，m。应用上式计算了试验研究的月池内流体的“活塞”振荡频率，与试验结果十分接近。因此，利用该式来预报实船月池内流体振荡的频率。实船月池直径=3.9m，月池内吃水＝5.3m，则“活塞”振动的固有频率为0.194Hz。1.2月池内流体晃荡固有频率预报月池内带有自由液面的流体由于外界的激励，在月池内左右“晃荡”，表现为自由液面的正弦运动，图2为月池内流体的首阶晃荡振型图。原自由液面VHR图2月池内流体首阶固有晃荡振型不考虑月池内流体与腔外的质量、能量交换，可在月池腔