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[学位论文] 翟云贺哈尔滨工程大学 2019年博士导师: 宋儒鑫共270页

摘要 : 涡激振动是引起海洋管线疲劳损伤的一个重要因素，涡激振动特性的准确描述有助于疲劳寿命的精准预报，从而保证管线安全稳定的工作。海洋管线的涡激振动极其复杂，多简化为刚性圆柱体作为其机理研究的基础，而柔性管线涡激振动的数值模拟中也多采用“... 展开涡激振动是引起海洋管线疲劳损伤的一个重要因素，涡激振动特性的准确描述有助于疲劳寿命的精准预报，从而保证管线安全稳定的工作。海洋管线的涡激振动极其复杂，多简化为刚性圆柱体作为其机理研究的基础，而柔性管线涡激振动的数值模拟中也多采用“切片法”，因此刚性圆柱体振动特性的研究对柔性管线涡激振动特性的预报起指导作用，是当前深入理解涡激振动机理的主要手段。近几十年出现大量有关刚性圆柱体涡激振动的研究，得到了很多经典的现象和结论，但目前人们并未完全掌握其振动机理以及相关参数的影响规律。本文基于开源CFD软件平台OpenFOAM，采用RANS方法结合改进的湍流模型开展了刚性圆柱体涡激振动的数值研究，系统地讨论了固有频率比、质量阻尼比、雷诺数以及自由度等参数对振动特性的影响规律。具体的研究内容如下: 亚临界雷诺数范围内，RANS方法结合现有湍流模型圆柱绕流的模拟中存在着边界层过早发生转捩以及圆柱后侧尾流场粘性系数过度预报的问题，会导致圆周压力系数、分离角等参数分布的偏差。针对上述问题，本文结合SST k-ω和Launder与Sharma的低雷诺数k-ε(LSKE)模型的特点，提出了一种改进的湍流模型，对边界层和尾流场湍动能生成项和耗散项进行了修正。基于平板绕流问题的模拟，从湍流壁面率、网格收敛性和壁面网格敏感性三方面验证了改进湍流模型的可行性;在此基础上，分析了改进湍流模型在静止圆柱绕流问题模拟中的准确性，并对该模型适用的雷诺数范围进行了界定。应用改进的湍流模型在亚临界雷诺数范围内开展了圆柱体横流向涡激振动的数值模拟，在低质量阻尼比系统中成功模拟出包括“上端分支”在内的典型三响应分支，通过与试验以及其他湍流模型模拟结果的对比验证了改进湍流模型在涡激振动模拟中的准确性。系统的讨论了质量比、阻尼比和雷诺数等关键参数对圆柱体横流向涡激振动特性的影响，归纳总结振幅、振动频率、升力和阻力系数以及力与位移的相位差等特征参数的变化规律。TrSL3雷诺数范围内成功模拟出与试验接近的更大振幅(1.79D)以及更广的锁定区域，对照Govardhan和Williamson的改进Griffin拟合曲线讨论了横流向最大振幅随质量阻尼比和雷诺数的变化规律。应用改进的湍流模型，在亚临界雷诺数范围内开展了圆柱体双自由度涡激振动的数值模拟，得到与试验吻合更好的“超上端分支”，通过对比验证了改进湍流模型在圆柱体双自由度涡激振动模拟中的准确性。不同速度入口条件下模拟出与试验相似的“迟滞”现象，并对相关参数的影响进行了研究。在TrSL2雷诺数范围内系统讨论了质量比和阻尼比对振幅、振动频率、升力和阻力系数等参数的影响规律。TrSL3雷诺数范围内观察到了幅值更大、范围更广的“超上端分支”和锁定区域，在亚临界雷诺数范围内讨论了雷诺数对低质量阻尼比圆柱体双自由度涡激振动特性的影响规律。在TrSL2雷诺数范围内应用改进的湍流模型开展了固有频率比(fnx/fny)对圆柱体双自由度涡激振动特性影响的研究，相比1.0≤fnx/fny≤2.0，fnx/fny＞ 2.0后振幅曲线的形态发生了较大的改变，得到了与试验类似的“双峰”现象，相应的振动频率、附加质量以及力系数等参数的变化趋势也出现了较大的差异，对应振幅较大的约化速度范围内，升力和阻力系数分别出现了幅值较大的三倍和四倍甚至更高倍的频率分量。系统分析了振幅、频率、力系数、附加质量、相位差以及振动轨迹等参数随固有频率比的变化规律。收起

关键词 : 海洋管线涡激振动数值模拟改进湍流模型雷诺数范围

2. 基于极化码的水下无线光通信系统设计与算法改进

[学位论文] 王庆港西安电子科技大学 2022年硕士导师: 李卓共97页

摘要 : 水下无线光通信(UnderwaterWirelessOpticalCommunication，UWOC)系统的建立和使用都相当灵活且成本较低，同时还具有一定的保密性和抗干扰能力，因此在水下通信场景中受到了广泛的关注。在解决UWOC系统衰减较大的问题上可以利用信道编码技术来提高整... 展开水下无线光通信(UnderwaterWirelessOpticalCommunication，UWOC)系统的建立和使用都相当灵活且成本较低，同时还具有一定的保密性和抗干扰能力，因此在水下通信场景中受到了广泛的关注。在解决UWOC系统衰减较大的问题上可以利用信道编码技术来提高整体的通信性能。极化码作为一种新兴的编码方案，由于其优越的渐进性能和信道自适应性使得其成为近几年通信领域的研究热点，但是到目前为止极化码在UWOC等实际场景中的应用研究相对较少，所以本文将极化码分别应用于基于统计模型的湍流信道和基于蒙特卡洛(MonteCarlo，MC)模拟的UWOC系统中，以此来验证极化码在不同环境下的水下无线光通信中的性能优势。为了进一步提高UWOC系统的数据传输性能并满足低时延的要求，本文提出了极化码的译码算法改进。本文具体工作内容如下: 1、分析了水下湍流产生的原因和特性，介绍了几种常见的基于统计分析的水下湍流模型。随后选择了具有代表性的适用于中弱湍流信道的对数正态分布和适用于强湍流信道的双伽马分布两种湍流模型，并分别在这两种湍流模型下进行了仿真。结合脉冲相位调制推导出误码率和转移概率的表达式，利用蒙特卡洛构造方法完成了极化码的构造。仿真结果表明极化码在不同强度的水下湍流条件下与码较长的低密度奇偶校验(LowDensityParityCheck，LDPC)码相比能够获得0.3dB～0.35dB左右的性能增益，而且极化码在中湍流信道下也不会出现误码平层的问题，有效验证了极化码在水下湍流信道条件下的渐进性能优势。 2、本文基于MC模拟算法在复杂水质条件下的仿真对比直观验证了湍流模型的应用局限性。随后通过MC模拟得到的三种典型水质条件下的信道冲激响应，结合正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术能够消除时间色散和码间干扰的优点设计了基于OFDM的UWOC系统模型，并使用了蒙特卡洛构造方法完成了极化码的构造。仿真结果极化码在三种典型水质条件下与码长一致的LDPC码相比能够获得0.15dB～0.55dB左右的性能优势，而且在浑浊水中获得的纠错增益更多。同时通过改变极化码的码长等参数验证了不同参数对UWOC系统的性能影响。综合三种湍流强度和三种典型水质条件下的仿真结果能够有效说明极化码在水下无线光通信场景下具有强大的竞争力和巨大的发展空间。 3、为了在现有基础上进一步提升UWOC系统的通信性能和数据传输的可靠性，本文在加权和码辅助校验的SCL译码算法的基础上提出了分段WSCA-SCLF译码算法。改进译码算法第一个优点在于硬件实现简单，且每个时钟单元内能够处理多个比特信息，具有并行结构的优势。另一个优点在于与原始译码算法相比能够大幅提升通信性能，并且还能在很大程度上降低译码复杂度。改进后的译码算法能够进一步提高UWOC系统的传输可靠性，而且能够有效降低时延。收起

关键词 : 极化码水下湍流模型水下无线光通信系统蒙特卡洛模拟改进译码算法