艙室內(nèi)液體晃蕩的數(shù)值模擬及其與船體運動耦合作用的研究.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輸裝備。該類液貨船在海上航行時,受海浪作用會產(chǎn)生船體搖蕩運動,由于具有大體積的液艙,因此會引起液艙晃蕩現(xiàn)象。在惡烈海況下,大幅船舶搖蕩運動所引發(fā)的液體劇烈晃蕩,會對液艙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生砰擊,造成局部結(jié)構(gòu)損壞,甚至還會惡化耐波性能嚴(yán)重影響運營作業(yè)安全。因此,開展液艙晃蕩及其與船體的耦合運動研究就具有實際工程應(yīng)用價值。
　　據(jù)此,本論文著重研究四個方面的問題:液艙晃蕩的液面大變形

2、現(xiàn)象模擬及其砰擊壓強計算;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)效能對比分析;基于PIV技術(shù)的液艙晃蕩流場測量及其模擬分析;液艙晃蕩與船體的耦合運動模擬分析。
　　針對上述問題,本論文所開展的主要工作具體如下:
　　一、三維液艙晃蕩運動控制方程及其數(shù)值計算方法
　　考慮到不同的晃蕩激勵形式,建立了三維液艙晃蕩運動的控制方程,基于直角有限差分網(wǎng)格,對控制方程進(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對流計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,并修改了流動的控制方程,結(jié)合直角網(wǎng)格的PLIC-VOF方法,實現(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時歷對比探討了防晃效果。<

5、br>　　五、基于PIV技術(shù)的液艙晃蕩流場精細(xì)測量與模擬
　　合理設(shè)計液艙及其平面運動機構(gòu),由伺服系統(tǒng)控制運動機構(gòu)在直線方向的速度時歷,考慮液艙的不同裝載水平,設(shè)定共振頻率下的橫蕩運動激勵,應(yīng)用PIV技術(shù)進(jìn)行液艙晃蕩流場的精細(xì)測量以及波形觀察分析。應(yīng)用PLIC-VOF方法,進(jìn)行了液艙晃蕩流場的數(shù)值模擬,以及PIV試驗結(jié)果對比分析。
　　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粒子半隱式法(WC-MPS)。該方法通過直接計算流體狀態(tài)方程來快速獲取流場壓強,而沒有求解計算耗時的壓強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動的耦合作用,建立了液貨船的耦合運動方程,結(jié)合內(nèi)流場粘性流體PLIC-VOF方法,確定液艙晃蕩作用力以及力矩,由外流場二維切片方法確定波浪中船體頻域水動力

7、系數(shù)及波浪載荷,采用Newmark-β法進(jìn)行耦合運動方程的時域求解,實現(xiàn)波浪中船體運動的數(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)流場中的固體相,并修改流動的控制方程,與三維PLIC-VOF方法相結(jié)合,實現(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,針對每一時間步的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)不可壓縮移動粒子