艙室內(nèi)液體晃蕩的數(shù)值模擬及其與船體運(yùn)動(dòng)耦合作用的研究.pdf

1、近年來,以液化天然氣船(LNGC)為代表的液貨船成為重要的海上運(yùn)輸裝備。該類液貨船在海上航行時(shí),受海浪作用會(huì)產(chǎn)生船體搖蕩運(yùn)動(dòng),由于具有大體積的液艙,因此會(huì)引起液艙晃蕩現(xiàn)象。在惡烈海況下,大幅船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的液體劇烈晃蕩,會(huì)對(duì)液艙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生砰擊,造成局部結(jié)構(gòu)損壞,甚至還會(huì)惡化耐波性能嚴(yán)重影響運(yùn)營作業(yè)安全。因此,開展液艙晃蕩及其與船體的耦合運(yùn)動(dòng)研究就具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
　　據(jù)此,本論文著重研究四個(gè)方面的問題:液艙晃蕩的液面大變形

2、現(xiàn)象模擬及其砰擊壓強(qiáng)計(jì)算;帶防晃結(jié)構(gòu)液艙的晃蕩現(xiàn)象模擬,以及防晃結(jié)構(gòu)效能對(duì)比分析;基于PIV技術(shù)的液艙晃蕩流場(chǎng)測(cè)量及其模擬分析;液艙晃蕩與船體的耦合運(yùn)動(dòng)模擬分析。
　　針對(duì)上述問題,本論文所開展的主要工作具體如下:
　　一、三維液艙晃蕩運(yùn)動(dòng)控制方程及其數(shù)值計(jì)算方法
　　考慮到不同的晃蕩激勵(lì)形式,建立了三維液艙晃蕩運(yùn)動(dòng)的控制方程,基于直角有限差分網(wǎng)格,對(duì)控制方程進(jìn)行了數(shù)值離散,并采用超松弛高斯-賽德爾迭代法進(jìn)行了速度和壓

3、強(qiáng)耦合求解。
　　二、三維液艙晃蕩的PLIC-VOF方法數(shù)值模擬
　　基于直角有限差分網(wǎng)格,根據(jù)方向分裂算法以及Lagrange對(duì)流計(jì)算法求解流體體積分?jǐn)?shù)控制方程,并結(jié)合控制方程的數(shù)值解法,發(fā)展了自由表面重構(gòu)的PLIC-VOF法,并應(yīng)用于模擬三維液艙的劇烈晃蕩問題。
　　三、液艙晃蕩的CLSVOF方法數(shù)值模擬
　　基于PLIC-VOF方法,考慮及Level-set方法隱式跟蹤自由表面的性能,引入Level-set

4、函數(shù)確定自由表面法向,結(jié)合 PLIC-VOF良好的質(zhì)量守恒性能,實(shí)現(xiàn)了PLIC-VOF方法與Level-set方法耦合的CLSVOF數(shù)值方法,并應(yīng)用于液艙劇烈晃蕩模擬等問題。
　　四、三維通度系數(shù)法結(jié)合PLIC-VOF法模擬帶防晃結(jié)構(gòu)的液艙晃蕩問題
　　引入三維通度系數(shù)法,并修改了流動(dòng)的控制方程,結(jié)合直角網(wǎng)格的PLIC-VOF方法,實(shí)現(xiàn)了三維帶不同型式防晃結(jié)構(gòu)的液艙晃蕩數(shù)值模擬,并通過局部液面和壓強(qiáng)時(shí)歷對(duì)比探討了防晃效果。<

5、br>　　五、基于PIV技術(shù)的液艙晃蕩流場(chǎng)精細(xì)測(cè)量與模擬
　　合理設(shè)計(jì)液艙及其平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),由伺服系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在直線方向的速度時(shí)歷,考慮液艙的不同裝載水平,設(shè)定共振頻率下的橫蕩運(yùn)動(dòng)激勵(lì),應(yīng)用PIV技術(shù)進(jìn)行液艙晃蕩流場(chǎng)的精細(xì)測(cè)量以及波形觀察分析。應(yīng)用PLIC-VOF方法,進(jìn)行了液艙晃蕩流場(chǎng)的數(shù)值模擬,以及PIV試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。
　　六、液艙晃蕩的WC-MPS方法數(shù)值模擬
　　基于流體弱可壓縮假定,提出了基于Tait

6、狀態(tài)方程的弱可壓縮移動(dòng)粒子半隱式法(WC-MPS)。該方法通過直接計(jì)算流體狀態(tài)方程來快速獲取流場(chǎng)壓強(qiáng),而沒有求解計(jì)算耗時(shí)的壓強(qiáng)Poisson方程,并應(yīng)用該方法模擬了劇烈晃蕩的自由表面大變形現(xiàn)象。
　　七、波浪中液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合作用數(shù)值模擬
　　考慮到液艙晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)的耦合作用,建立了液貨船的耦合運(yùn)動(dòng)方程,結(jié)合內(nèi)流場(chǎng)粘性流體PLIC-VOF方法,確定液艙晃蕩作用力以及力矩,由外流場(chǎng)二維切片方法確定波浪中船體頻域水動(dòng)力

7、系數(shù)及波浪載荷,采用Newmark-β法進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)域求解,實(shí)現(xiàn)波浪中船體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬。
　　本論文研究的創(chuàng)新性可以總結(jié)為以下三個(gè)方面:
　　一、三維通度系數(shù)法結(jié)合PLIC-VOF方法模擬帶防晃結(jié)構(gòu)液艙的晃蕩問題
　　基于三維通度系數(shù)法表達(dá)流場(chǎng)中的固體相,并修改流動(dòng)的控制方程,與三維PLIC-VOF方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了帶防晃結(jié)構(gòu)的三維液艙晃蕩模擬。
　　二、直角網(wǎng)格CLSVOF數(shù)值方法模擬液艙劇烈晃蕩問題

8、
　　基于PLIC-VOF方法的良好質(zhì)量守恒性能,考慮及Level-set方法隱式跟蹤自由表面的性能,針對(duì)每一時(shí)間步的Level-set函數(shù)重新初始化,由PLIC-VOF重構(gòu)自由表面,通過確定鄰近網(wǎng)格到自由表面網(wǎng)格的最近距離,進(jìn)行 Level-set函數(shù)的重新初始化,實(shí)現(xiàn)了耦合的CLSVOF數(shù)值方法,并應(yīng)用于液艙劇烈晃蕩模擬。
　　三、基于弱可壓縮假定的WC-MPS方法模擬液艙劇烈晃蕩問題
　　鑒于傳統(tǒng)不可壓縮移動(dòng)粒子