检索结果-内蒙古大学图书馆

中国海上油气 2024年第6期36卷 149-158页

作者：李帅贾玉超张法富梁瑜海洋石油工程股份有限公司天津300451 上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海200240

由于风机厂家通常仅提供风机的结构载荷,不提供上部风机参数,导致在进行海上风机浮式基础设计时,难以开展浮式风机的全耦合分析。从风机载荷的组分出发,建立了全耦合、限制耦合、准耦合、半耦合4种分析模型,以“海油观澜号”为例,对比... 详细信息

由于风机厂家通常仅提供风机的结构载荷,不提供上部风机参数,导致在进行海上风机浮式基础设计时,难以开展浮式风机的全耦合分析。从风机载荷的组分出发,建立了全耦合、限制耦合、准耦合、半耦合4种分析模型,以“海油观澜号”为例,对比了不同耦合模型在计算极限海况下浮式风机运动和系泊张力方面的差异。结果表明:限制耦合模型忽略了风机质量,其计算结果与全耦合分析结果最大相对误差超过70%,无法满足工程实施需求;准耦合模型求解的响应与全耦合模型的最大相对误差约6%,半耦合模型的最大相对误差则低于2%,均可满足工程实施要求;准耦合模型只需风机厂家提供主要的风机结构参数和固定式风机的塔底载荷信息,可用于浮式风机的概念设计和基本设计的前期阶段;半耦合模型可用于和风机厂家开展联合设计;相较于全耦合模型,准耦合模型的计算效率提高近3倍,可实现浮式基础的快速迭代优化。研究成果在“海油观澜号”浮式风电项目中得到了应用,并可为其他半潜式浮式风机的工程设计提供参考。

关键词： “海油观澜号” 浮式风机风机参数耦合分析全耦合模型限制耦合模型准耦合模型半耦合模型

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粘性流场中碳纳米管薄膜热—声模型及计算分析

粘性流场中碳纳米管薄膜热—声模型及计算分析

引用

作者：毛艺达华中科技大学

学位级别：博士

本文对粘性流场中碳纳米管薄膜热-声效应进行了热-声全耦合和半耦合的理论建模和分析。区别于传统的薄膜发声结构,碳纳米管薄膜热-声转换通过传热将简谐时变热能传递给流体介质,引起流体介质的膨胀和收缩,直接把热能转换成声能。随着单... 详细信息

本文对粘性流场中碳纳米管薄膜热-声效应进行了热-声全耦合和半耦合的理论建模和分析。区别于传统的薄膜发声结构,碳纳米管薄膜热-声转换通过传热将简谐时变热能传递给流体介质,引起流体介质的膨胀和收缩,直接把热能转换成声能。随着单位面积低比热容材料的工艺和技术日渐成熟,热-声发射效率有了较大的提高。较传统薄膜振动发声和压电材料发声,碳纳米管薄膜热-声转换在高频段会产生平滑的频幅响应。论文首先介绍了热-声效应的机理、热-声的实验进展以及热-声的理论进展。然后进行了粘性流体热-声理论的模型研究,基于质量守恒方程(连续性方程)、动量守恒方程(牛顿第二定律)和能量守恒方程,建立了全耦合的热-声模型。为解决全耦合模型求解复杂的问题,简化建立了热-声半耦合模型。同时,研究了粘性流体中的声-固交界面上的耦合条件,为进一步分析热-声方程的求解及后续非线性热-声方程的推导奠定了基础。随后,采用热-声全耦合模型,讨论了两个经典的一维模型:平面波模型和球面波模型,并给出了广义热-声一维模型及其通解。其中,平面波模型适用于平面碳纳米管热-声薄膜的近场声学响应评估,此时,碳纳米管薄膜的面积可视为无限大。值得注意的是,对于瑞利距离以外的远场响应,进行了平面波模型的相应处理,能够对声压远场响应进行近似预测。而球面波模型适用于球面碳纳米管热-声薄膜或热-声点源的声学响应预测。此外,通过级数展开和抛物线近似两种方法,求解了热-声波数,并结合相应的热-声-固边界条件,对平面热声源和点热声源的声压级进行了求解和对比验证。热-声全耦合模型对物理场描述相对准确,但求解存在一定难度;传统热-声半耦合模型相对易于求解,但对流体中的热衰减和粘性衰减描述不准确。通过摄动法,推导了热-声两种传播方式的波数和一阶近似关系,通过波数重构的方式,进一步提出了改进的热-声半耦合模型。引入热传导非线性、热扩展非线性和声学非线性构建了改进的热-声非线性半耦合模型,并通过抛物线近似和行波坐标变换、Holf-Cole变换,对简谐边界下改进的非线性热-声半耦合模型进行了求解。讨论了平面薄膜的三维热声效应。由于热-声全耦合模型难于求解,本文仅讨论热-声半耦合模型,获得了三维声学响应的积分解。推导了热-声等效速度,并通过积分解和边界元响应的对比,证明本文方法的正确性。最后在热-声研究的基础上,探究了平面薄膜的磁-热-声效应。将热-声薄膜置于静磁场中,总的声压响应显著增加,并进一步探究其声场特性和影响因素。随后,将热-声薄膜置于交变磁场中,采用了幂函数拟合方法,并对物理场进行无量纲化,研究了在特定的频率和相位的情况下,实现声波单向发射的目的。论文针对碳纳米管薄膜的热-声换能发射问题建立了数学模型。针对不同的工况,由浅入深地给出了一维和三维问题、线性和非线性问题、热-声和磁-热-声问题的求解方法和声学响应预报。从多个角度分析了影响热-声响应的因素,为碳纳米管薄膜的热-声换能器的设计提供了参考。

关键词：碳纳米管薄膜热声效应粘性流场磁场全耦合模型半耦合模型

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