液艙晃蕩非線性動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、晃蕩是工程領(lǐng)域中一種常見(jiàn)的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，比如非滿載航行的液貨船、地震中的儲(chǔ)液罐及行駛中的油罐車等。晃蕩可能在自由面附近引起強(qiáng)烈的沖擊載荷，造成艙壁結(jié)構(gòu)的局部破壞或者屈服，進(jìn)而影響液艙結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。影響晃蕩載荷的因素較多，諸如激勵(lì)頻率及其幅值、液體粘性、裝載率以及晃蕩過(guò)程中結(jié)構(gòu)與流體相互作用。因此，無(wú)論從解析方法、數(shù)值方法還是試驗(yàn)方法角度出發(fā)，深入、全面地開(kāi)展晃蕩壓力預(yù)報(bào)及其影響因素的研究具有重要的工程意義。
　　針對(duì)上述提到的問(wèn)題

2、，本文具體地開(kāi)展了以下研究工作：
　　(1)采用商業(yè)CFD代碼FLUENT，通過(guò)數(shù)值模擬研究不同的湍流模型（κ-ε模型、κ-ω模型及Reynolds stress模型）對(duì)晃蕩壓力的影響，并通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，總結(jié)出用于數(shù)值計(jì)算的合理的湍流模型。
　　(2)從流體力學(xué)連續(xù)性方程及N-S方程，推導(dǎo)出邊界層厚度表達(dá)式，定量地研究了艙內(nèi)流體在邊界層內(nèi)、外由于液體粘性耗散所引起的能量耗散比。針對(duì)附加有邊界層網(wǎng)格及無(wú)邊界層網(wǎng)格的數(shù)

3、值計(jì)算模型，研究了邊界層對(duì)晃蕩壓力的影響并得出邊界層內(nèi)的液體粘性耗散效應(yīng)對(duì)晃蕩壓力有重要影響。因此，本文提出了一個(gè)附加有邊界層網(wǎng)格的計(jì)算模型可以更加有效地預(yù)報(bào)晃蕩壓力，且計(jì)算結(jié)果得到了相應(yīng)的晃蕩模型試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　(3)針對(duì)具有代表性的棱柱形液艙及矩形液艙，分別建立附加有邊界層網(wǎng)格的二維及三維計(jì)算模型，采用κ-ε湍流模型，開(kāi)展了液艙三維效應(yīng)對(duì)晃蕩壓力影響的研究。
　　(4)晃蕩引起的沖擊壓力及其上升時(shí)間對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)起

4、著至關(guān)重要的作用，而此兩參數(shù)與液體粘性有關(guān)?；诖耍O(shè)計(jì)了不同粘性、相同密度的四種液體，進(jìn)行了晃蕩模型試驗(yàn)及相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，定量地研究了液體粘性對(duì)沖擊載荷及其上升時(shí)間的影響；針對(duì)高粘性流體晃蕩，分析了沖擊壓力附近壓力信號(hào)高頻振動(dòng)的原因是由于氣泡特征振動(dòng)所引起。
　　(5)共振狀態(tài)下的晃蕩載荷預(yù)報(bào)是液艙設(shè)計(jì)的控制因素，但是其載荷的數(shù)值預(yù)報(bào)耗時(shí)、模型試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本高。基于線性勢(shì)流理論，本文研究了晃蕩壓力與激勵(lì)幅值及激勵(lì)頻率的關(guān)系，構(gòu)造

5、出對(duì)于不同的激勵(lì)幅值及裝載率工況在共振狀態(tài)下半解析的晃蕩沖擊壓力預(yù)報(bào)公式，并借助于模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算對(duì)晃蕩沖擊壓力預(yù)測(cè)公式的合理性進(jìn)行論證。
　　(6)晃蕩問(wèn)題的流固耦合數(shù)值計(jì)算，無(wú)論采用強(qiáng)耦合還是弱耦合算法，其計(jì)算規(guī)模極其龐大。本文基于彈簧-質(zhì)量力學(xué)模型及考慮艙壁彈性變形，針對(duì)矩形液艙提出一個(gè)簡(jiǎn)化的力學(xué)模型來(lái)處理計(jì)及流固耦合效應(yīng)的晃蕩問(wèn)題。分析了艙壁彎曲剛度及裝載率對(duì)耦合系統(tǒng)模態(tài)的影響以及質(zhì)量點(diǎn)對(duì)艙壁彎矩的貢獻(xiàn)，并通過(guò)流固耦合代

6、碼ADINA的計(jì)算結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該力學(xué)模型的合理性。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)歸納如下：
　　(1)提出精細(xì)預(yù)報(bào)晃蕩壓力的數(shù)值模型，即：基于推導(dǎo)的邊界層厚度表達(dá)式所建立的附加有邊界層網(wǎng)格的計(jì)算模型采用κ-ε湍流模型能更加有效地預(yù)報(bào)晃蕩壓力。此數(shù)值模型為晃蕩問(wèn)題的數(shù)值建模提供指導(dǎo)性建議。
　　(2)通過(guò)數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了液體粘性對(duì)沖擊壓力及其上升時(shí)間的影響。結(jié)果表明，液體的高粘性不僅使得晃蕩壓力顯

7、著降低，上升時(shí)間顯著增加，而且從自由液面裹挾大量氣體進(jìn)入晃蕩液體中形成氣泡，氣泡的特征振動(dòng)使得沖擊載荷附近產(chǎn)生高頻振動(dòng)。這些結(jié)論對(duì)于艙壁結(jié)構(gòu)在液體沖擊載荷下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算提供重要的參考價(jià)值。
　　(3)基于線性勢(shì)流理論，構(gòu)造出共振狀態(tài)下半解析的晃蕩壓力預(yù)測(cè)公式。其意義在于通過(guò)給定少數(shù)幾種共振狀態(tài)下的晃蕩沖擊壓力值即可預(yù)測(cè)其它共振工況下的晃蕩沖擊壓力。
　　(4)基于彈簧-質(zhì)量力學(xué)模型，提出一個(gè)考慮到艙壁彈性變形的簡(jiǎn)化的力學(xué)模