垂直微结构湍流剖面仪流致振动分析.pdf

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1、垂直微结构湍流剖面仪流致振动分析TheFlow-inducedVibrationAnalysisofMicrostructureTurbulenceprofiler学科专业：机械工程研究生：兰世泉指导老师：刘玉红副教授天津大学机械工程学院二零一二年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在

2、论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要海洋剪切流数据是研究海洋宏观运动规律和动能耗散率的重要原始资料，对建立海洋物理模型进而研究海洋宏

3、观运动有重要意义。自由下落式微结构湍流剖面仪（垂直剖面仪）是目前获取海水剪切流数据最普遍和最有效的测量平台，在世界各国引起了普遍关注。垂直剖面仪的流致振动是由其工作方式引起的不可避免的现象，流致振动决定着剖面仪流速剪切谱的修正及湍动能耗散率的测量下限，制约着垂直剖面仪的测量精度，是垂直剖面仪（尤其是深海剖面仪）在设计与使用时必须考虑的问题。目前，对剖面仪流致振动的研究主要是通过水域试验来进行，即在剖面仪使用过程中通过分析剖面仪携带的加速度传感器测得的加速度信号获得剖面仪的流致振动情况。然而进行水域试验首先需要制造出剖面仪样

4、机，会耗费大量的时间及人力、物力和财力。为解决这一困境，本文致力于寻找一种方便、快捷、有效的方法来计算剖面仪的流致振动，研究影响剖面仪流致振动的因素及影响规律，为海洋微结构湍流剖面仪的设计提供理论指导。本文研究获得如下成果：（1）将刚体转动动力学与流体力学理论相结合，推导了垂直剖面仪在水中自由下降时流致振动的转轴位置，为剖面仪流致振动的准确估算奠定了基础。（2）以实验室自主研发的垂直剖面仪为研究对象，基于ansysWorkbench数值仿真平台，通过对UDF功能的成功开发，构建了计算垂直微结构剖面仪流致振动的流固耦合数值模

5、型。利用该流固耦合数值模型，可得到剖面仪下降过程中流致振动的速度与位移，进而可计算出流致振动的频率与加速度，并通过水域试验验证了该数值模型计算结果的准确性。（3）运用提出的流固耦合数值计算方法，研究了剖面仪的转动惯量、重浮心之间的相对位置及剖面仪下降速度对垂直剖面仪流致振动的影响，找出了剖面仪流致振动与各影响因素的关系。为快速估算出垂直剖面仪的流致振动，本文在大量算例的基础上，总结出了垂直剖面仪流致振频率及加速度的估算公式，并通过浅海及深海试验验证了估算公式的准确性，对剖面仪的合理设计与使用提供了极具价值的理论指导。关键词

6、：微结构湍流剖面仪，流致振动，流固耦合，湍流动能耗散率，剪切流测量ABSTRACTThemicro-scaleturbulenceisresponsiblefordissipatingthekineticenergyintheocean,anditisimportanttocalculatethedissipationrateofturbulencekineticenergyandconstructtheoceanmodels.Thefreelyfallingmicrostructureprofiler(i.e.verti

7、calprofiler)isthemostcommonandeffectiveplatformformeasuringthemicro-scaleturbulence.Theflow-inducedvibration(FIV),whichisunavoidableduringthemicrostructureprofilerfreelyfalling,isthedecisivefactorforthelowenddetectionlimitofthedissipationrateoftheturbulencekinetic

8、energymeasuredbytheprofiler.TheFIVisalsocriticalformodifyingthevelocityspectraofverticalshear,andhasbadinfluenceonaccuracyoftheturbulencemeasurement.The