液艙晃蕩非線性動力學(xué)行為研究.pdf

1、晃蕩是工程領(lǐng)域中一種常見的流體運動現(xiàn)象，比如非滿載航行的液貨船、地震中的儲液罐及行駛中的油罐車等?；问幙赡茉谧杂擅娓浇饛娏业臎_擊載荷，造成艙壁結(jié)構(gòu)的局部破壞或者屈服，進而影響液艙結(jié)構(gòu)極限強度。影響晃蕩載荷的因素較多，諸如激勵頻率及其幅值、液體粘性、裝載率以及晃蕩過程中結(jié)構(gòu)與流體相互作用。因此，無論從解析方法、數(shù)值方法還是試驗方法角度出發(fā)，深入、全面地開展晃蕩壓力預(yù)報及其影響因素的研究具有重要的工程意義。
　　針對上述提到的問題

2、，本文具體地開展了以下研究工作：
　　(1)采用商業(yè)CFD代碼FLUENT，通過數(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）對晃蕩壓力的影響，并通過與試驗數(shù)據(jù)的對比分析，總結(jié)出用于數(shù)值計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。針對附加有邊界層網(wǎng)格及無邊界層網(wǎng)格的數(shù)

3、值計算模型，研究了邊界層對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)對晃蕩壓力有重要影響。因此，本文提出了一個附加有邊界層網(wǎng)格的計算模型可以更加有效地預(yù)報晃蕩壓力，且計算結(jié)果得到了相應(yīng)的晃蕩模型試驗驗證。
　　(3)針對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)格的二維及三維計算模型，采用κ-ε湍流模型，開展了液艙三維效應(yīng)對晃蕩壓力影響的研究。
　　(4)晃蕩引起的沖擊壓力及其上升時間對艙壁結(jié)構(gòu)的動力響應(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)。基于此，設(shè)計了不同粘性、相同密度的四種液體，進行了晃蕩模型試驗及相應(yīng)的數(shù)值計算，定量地研究了液體粘性對沖擊載荷及其上升時間的影響；針對高粘性流體晃蕩，分析了沖擊壓力附近壓力信號高頻振動的原因是由于氣泡特征振動所引起。
　　(5)共振狀態(tài)下的晃蕩載荷預(yù)報是液艙設(shè)計的控制因素，但是其載荷的數(shù)值預(yù)報耗時、模型試驗的經(jīng)濟成本高。基于線性勢流理論，本文研究了晃蕩壓力與激勵幅值及激勵頻率的關(guān)系，構(gòu)造

5、出對于不同的激勵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)報公式，并借助于模型試驗及數(shù)值計算對晃蕩沖擊壓力預(yù)測公式的合理性進行論證。
　　(6)晃蕩問題的流固耦合數(shù)值計算，無論采用強耦合還是弱耦合算法，其計算規(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，針對矩形液艙提出一個簡化的力學(xué)模型來處理計及流固耦合效應(yīng)的晃蕩問題。分析了艙壁彎曲剛度及裝載率對耦合系統(tǒng)模態(tài)的影響以及質(zhì)量點對艙壁彎矩的貢獻，并通過流固耦合代

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

7、著降低，上升時間顯著增加，而且從自由液面裹挾大量氣體進入晃蕩液體中形成氣泡，氣泡的特征振動使得沖擊載荷附近產(chǎn)生高頻振動。這些結(jié)論對于艙壁結(jié)構(gòu)在液體沖擊載荷下的動力響應(yīng)計算提供重要的參考價值。
　　(3)基于線性勢流理論，構(gòu)造出共振狀態(tài)下半解析的晃蕩壓力預(yù)測公式。其意義在于通過給定少數(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，提出一個考慮到艙壁彈性變形的簡化的力學(xué)模