易流態(tài)貨物艙內(nèi)晃蕩對(duì)艙段運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)性影響的數(shù)值研究.pdf

1、易流態(tài)貨物是指由一定比例細(xì)微顆粒和水分組成的一類散裝顆粒狀貨物。該類貨物海上運(yùn)輸過程中，若其含水量超過一定比例并在機(jī)械振動(dòng)、撞擊或船舶運(yùn)動(dòng)等外力影響下可能發(fā)生流態(tài)化從而形成類似流體一樣的狀態(tài)。該類貨物的易流態(tài)屬性已成為該類貨物運(yùn)輸船發(fā)生傾覆事故的重大隱患，與本文相關(guān)的研究尚未深入開展。因此，為深入探索易流態(tài)貨物流態(tài)化發(fā)生后導(dǎo)致該類貨物運(yùn)輸船傾覆發(fā)生的機(jī)理，本文依據(jù)粘性流體動(dòng)力學(xué)理論、三維線性頻域勢(shì)流理論、脈沖響應(yīng)函數(shù)理論以及簡化的物面非

2、線性方法等對(duì)流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩及其與艙段間的耦合運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)性問題開展了一系列的研究工作。
　　流態(tài)化貨物對(duì)艙段運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)性的影響可分為流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)晃蕩問題、艙段在波浪中時(shí)域運(yùn)動(dòng)的求解以及二者的大幅值耦合運(yùn)動(dòng)問題。首先，為考察流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)的晃蕩現(xiàn)象，基于粘性流體動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合非牛頓流體本構(gòu)方程對(duì)流態(tài)化貨物的艙內(nèi)晃蕩問題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和驗(yàn)證。其中數(shù)值計(jì)算的貨艙模型取自載重噸57，000散貨船的典型艙段，縮尺比為1∶6

3、6;流態(tài)化貨物選用3種不同含水量的鎳礦砂，其流態(tài)化后的流變屬性采用非牛頓流體Herschel-Bulkley模型和Bingham模型來描述。不同含水量及外部激勵(lì)條件下，流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩力矩基本呈周期性變化;不同含水量下流態(tài)化貨物自由面的變形情況表明，隨著含水量的減小，流態(tài)化貨物相對(duì)于貨艙運(yùn)動(dòng)的滯后作用變得顯著;考慮貨艙內(nèi)裝設(shè)縱隔板時(shí)，在隔板高度比為0.4～1.0時(shí)，晃蕩力矩幅值及自由面運(yùn)動(dòng)減小速度最大，特別是在較大外部激勵(lì)幅值下，隔板

4、的阻礙作用更為顯著;流態(tài)化貨物粘度值也呈周期性變化，但隨著隔板高度的增加，其粘度峰值變大;相同外部激勵(lì)幅值下，當(dāng)外部激勵(lì)頻率在4.8rad/s附近時(shí)，晃蕩力矩幅值達(dá)到最大從而出現(xiàn)共振現(xiàn)象;相同外部激勵(lì)頻率下，晃蕩力矩幅值隨外部激勵(lì)幅值的增加基本呈線性增加，最后受到艙內(nèi)裝載流態(tài)化貨物數(shù)量的限制而趨于扁平從而偏離線性行為;單一改變貨艙寬度，隨著深寬比的增加晃蕩力矩幅值逐步減小，當(dāng)深寬比增加到一定值時(shí)其對(duì)晃蕩力矩幅值的影響變?nèi)酢?br>　　其

5、次，基于三維線性頻域勢(shì)流理論并結(jié)合脈沖響應(yīng)函數(shù)理論建立了浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型。為進(jìn)一步考察浮體的大幅值橫搖運(yùn)動(dòng)，預(yù)先求解浮體在不同橫傾角下的輻射、繞射問題及靜水復(fù)原力系數(shù)，通過數(shù)據(jù)擬合技術(shù)在時(shí)域計(jì)算時(shí)對(duì)浮體水動(dòng)力系數(shù)的實(shí)時(shí)獲取建立了浮體簡化物面非線性時(shí)域仿真模型從而為解決流態(tài)化貨物和艙段間的大幅值耦合運(yùn)動(dòng)打下基礎(chǔ)。
　　最后，設(shè)計(jì)了載有流態(tài)化貨物的艙段模型并基于流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩計(jì)算模型和間接時(shí)域法建立了流態(tài)化貨物和艙段間的耦合運(yùn)

6、動(dòng)計(jì)算模型。該模型主要考慮了流態(tài)化貨物晃蕩力矩對(duì)二者耦合運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果表明只考慮晃蕩力矩情況時(shí)，其在大部分波浪激勵(lì)頻率下對(duì)二者的橫搖耦合運(yùn)動(dòng)是起到減搖的作用。在對(duì)船舶穩(wěn)性研究方法分析基礎(chǔ)上為全面分析流態(tài)化貨物對(duì)艙段橫搖運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)性的影響，建立了流態(tài)化貨物和艙段間耦合運(yùn)動(dòng)的簡化物面非線性時(shí)域仿真模型。在求解艙段大幅值橫搖耦合運(yùn)動(dòng)之前，進(jìn)行了流態(tài)化貨物艙內(nèi)橫傾數(shù)值試驗(yàn)。流態(tài)化貨物艙內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)艙段靜水復(fù)原力矩的影響通過記錄流態(tài)化貨物重心的橫向

7、偏移量進(jìn)行考察，一旦流態(tài)化貨物發(fā)生移動(dòng)，艙段的復(fù)原力矩即被削弱。同時(shí)考慮流態(tài)化貨物晃蕩力矩以及其對(duì)艙段復(fù)原力矩的削弱作用，相同波幅下，在共振區(qū)附近橫搖耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線出現(xiàn)較為明顯的左右不對(duì)稱現(xiàn)象;繼續(xù)增大波浪幅值，在共振頻率下艙段的橫搖耦合運(yùn)動(dòng)繼續(xù)出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象并且隨時(shí)間變化而加劇，最終使得艙段復(fù)原力矩達(dá)到最小隨即傾覆得以發(fā)生。以上研究結(jié)果表明，由于流態(tài)化貨物艙內(nèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)艙段復(fù)原力矩的削弱作用使得艙段在共振頻率下進(jìn)行大幅值橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)不能回