液舱晃荡对船舶横摇运动影响的数值研究

为了研究加载液舱在船舶航行时舱内液体晃荡对船体横摇运动的影响,对船体外流场(波浪场)与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程。其中波浪中船体水动力和时延函数采用三维频域法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算。对横浪中加载了方形液舱的15000GT集装箱船在不同液舱装载深度工况下,就液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证。研究表明,耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体横摇运动的影响,数值结果与试验吻合良好,并具有较高的计算效率。     

船舶运动与液舱晃荡耦合频域计算方法

[目的]随着载液船舶(LNG,FPSO,FLNG等)的大型化以及对作业效率和作业安全性要求的不断提高,液舱晃荡以及由其引起的船舶运动问题愈发严重。为有效解决该问题,[方法]首先,基于三维势流理论和波浪辐射绕射理论,采用高阶边界元法开发波浪与三维结构物作用的计算程序,选取某艘FPSO船型,将本程序的计算结果与采用水动力计算软件AQWA,HYDROSTAR所得结果进行对比,验证程序的准确性;然后,将液舱晃荡水动力系数的频域求解方法与船舶运动的频域求解方法相结合,建立考虑液舱晃荡影响的船舶频域运动方程,获得耦合液舱晃荡后的船舶运动响应;最后,以一艘加载了2个液舱的FPSO船型为例,论证该计算方法的准确性。[结果]通过对比液舱不同装载下的船舶运动响应,发现存在着船舶的横摇共振频率出现偏移、耦合横摇运动幅值存在多个峰值,以及液舱装载不同对船舶运动的影响也不同等现象。[结论]所做研究可为载液船舶运动响应设计提供参考。     

基于全时域势流理论的船舶与液舱晃荡耦合运动的数值计算

基于三维线性有航速时域势流理论计算船体时域运动外域波浪力,同时采用三维全非线性时域势流理论来计算舱内液体的非线性晃荡所诱导力与力矩,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程。该方法能够完整地考虑波浪、船体和液舱晃荡之间的实时耦合作用。研究结果表明:通过模型实验和数值模拟计算的对比,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,无航速船体运动RAO与模型实验结果吻合良好,有航速运动计算合乎预期。     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

多液舱晃荡与养殖工船时域耦合运动的数值模拟

[目的]为研究多液舱养殖工船在横向波浪激励下,其液舱晃荡与船体运动的时域耦合问题,对其进行数值模拟。[方法]采用脉冲响应函数法预报船体运动,基于CFD理论模拟计算液舱晃荡问题,并讨论壁面剪切力对液舱晃荡的影响。为验证数值方法的可靠性,进行载液工船模型横摇自由衰减试验,并将试验结果与数值结果进行对比。同时,在此基础上,提出多液舱模型的二维简化方法。[结果]计算结果表明:在横向波浪激励下,波浪频率为0.5 rad/s时,液舱晃荡使养殖工船横摇幅值响应算子峰值增大了43%。液舱晃荡可能会给载液船舶的安全性带来风险,应该在设计阶段充分考虑。[结论]研究成果可为多液舱船的优化设计提供参考。     

系泊浮体在浅水波浪中运动响应的计算研究

对于船舶在浅水中的运动和锚泊系统响应问题,使用时域方法计算一艘起重铺管船在浅水无航速系泊状态下在波浪中的运动响应.基于三维频域势流理论,应用SESAM软件计算浮体在规则波中的频域水动力参数及运动响应.通过频域到时域的转换方法,得到浮体在时域中的水动力系数和不规则波的一阶与二阶波浪力.在时域内计算锚链拉力,再耦合数值求解浮体时域运动方程,得到其在不规则波中的运动时历.最后,采用本方法计算铺管驳船在多点系泊状态下,在浅水波浪中的6个自由度的运动响应和锚缆张力,并将计算结果与模型试验进行比较.分析表明本方法能够提供具有工程精度的船舶运动性能预报.     

FPSO与运输船旁靠时液舱晃荡与船舶运动耦合效应分析

浮式生产储存船(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)与运输船进行旁靠作业时,存在两船体的运动与液舱晃荡的耦合效应.文中基于法国船级社(BV)的三维线性频域水动力分析软件Hydro STAR,首先对一艘FPSO进行了波浪中的运动响应计算,通过与试验结果对比,验证了数值模型和计算方法的有效性.然后计算分析了液舱不同载液率及FPSO与运输船旁靠这两个因素对耦合运动响应的影响.结果表明:旁靠时两者间存在遮蔽效应,且FPSO和运输船的液舱载液率对彼此的运动响应均具有一定影响.     

Investigation of Sloshing and its Effects on Global Responses of a Large LNG Carrier by Experimental Method

液舱中液体晃荡不仅对液舱结构产生内载荷作用,同时也通过与船体运动的耦合对LNG船的波浪载荷产生影响.文章通过某大型LNG船自航模型在波浪中的带液舱运动和波浪载荷试验,研究液舱中液体晃荡特性及其对总体波浪载荷的影响.同时对液舱有水(30%H)状态下的液舱中液体运动周期进行了试验研究,结果发现:在相同排水量和重量分布下,液舱中液体的存在对船体梁垂向振动频率和船体横摇周期都有影响;液舱中液体的运动周期不仅与液舱本身的形状和液面高度有关,还与船模航行时遭遇的浪向以及航速有关;虽然船舶浪向和航速是液舱内液体晃荡对总体波浪载荷产生影响的敏感参数,但总体影响不显著.     

船舶在波浪中频域分析

船舶在波浪中的响应一直被船舶工程师广泛关注。本文以Wigley船为对象,采用线性回归计算船舶在规则波中运动的附加质量,采用刘易斯法计算阻尼系数。以新切片理论为基础建立和求解频域内的垂荡和纵摇的耦合运动方程,得到船舶在频域中的运动响应和波浪载荷,并与三维网格法的计算结果进行比较,表明这是一种可靠的、简单快捷的计算船舶在波浪中响应的方法。     

破损单体复合船运动与载荷预报方法研究

论文主要探讨了单体复合船型破损后的浮态稳性变化、破损舱室液舱晃荡效应等因素对破损后单体复合船型运动和波浪载荷的影响。采用面元法求解液舱晃荡运动的附加质量,分析液舱内流体晃荡运动的共振现象以及流体粘性阻尼系数对液舱晃荡载荷的影响;推导了破损后非正浮状态下船体质量力和静水恢复力公式,使用三维势流理论求解发生的船体运动和破损舱室内液舱晃荡运动的流体载荷,建立破损后船舶运动方程并求解,研究破损后浮态、稳性以及液舱晃荡效应对六自由度运动和波浪载荷的影响。研究表明,破损后浮态、稳性、液舱晃荡等对单体复合船运动及波浪载荷均会产生影响。     

FSRU船舶运动与液舱晃荡的耦合分析

文中基于线性势流理论,对规则波中带液舱的FSRU船舶进行运动响应分析,考虑液舱晃荡与船体运动的耦合,得到6个自由度下的水动力系数和运动响应理论值.同时应用由BV开发的高效率水动力分析软件Hydro STAR,研究考虑液舱晃荡时FSRU运动响应,求得各自由度运动响应算子RAO.最后,比较了考虑液舱晃荡与不考虑液舱晃荡时,FSRU运动响应的变化;在此基础之上讨论了液舱载液率和液舱布置对FSRU运动的影响.     

波浪中破损船舶的运动响应研究

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者的相互影响机理十分复杂.本文重点研究波浪中破舱进出水对船舶运动响应的影响,文中首先基于势流理论建立了考虑破舱进出水的4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合时域预报方法,在计算中假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda's经验公式修正阻尼系数.然后以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了波浪中考虑破舱进出水的数学模型以及破舱进出水对运动响应的影响,并研究了不同自由度、破舱口位置对运动响应的影响.研究表明,本文基于势流理论建立的时域预报方法可以定量的预报破损船舶的运动响应.     

载液船舶在波浪中的运动预报

载液船舶在波浪中的运动是一个复杂的力学问题,它涉及到船舶摇荡运动与液体晃荡运动的相互耦合作用。本文将建立计及液体晃荡载荷的载液船舶在波浪中的运动方程并概述相关研究现状。     

液舱晃荡与浮体运动耦合的二维与三维SPH模拟影响研究

采用DualSPHysics开源代码对矩形液舱晃荡过程中的砰击载荷及强非线性流固耦合现象进行了模拟，通过检验与验证分析证明了论文SPH求解器的准确性，并对不同方法的模拟结果进行了基准性研究。通过对菱形液舱内晃荡流动的模拟，研究了不同装载高度工况下二维与三维模拟对于舱壁砰击压力和晃荡流动的影响。最后针对载液浮箱在波浪中运动的内外域流动耦合问题进行模拟，分析了浮体运动和液舱晃荡二维与三维模拟结果的差异。研究表明，三维模拟中由于流场存在沿液舱宽度方向的运动分量，使得二维与三维液舱晃荡结果存在一定的差异，且低载液率工况的结果差异更大。     

液舱晃荡与FPSO波浪运动相互耦合时域分析

浮式生产储油轮（FPSO）长期在外海作业,其液舱晃荡现象始终存在。文中对船体外流场采用非线性势流理论,对液舱内流场采用线性势流理论,应用脉冲响应函数法,基于法国船级社（BV）的综合性水动力分析软件HOMER,计算了FPSO在考虑液舱晃荡作用下的时域运动响应,并对晃荡压强进行对比分析。结果表明：液舱晃荡对FPSO运动具有一定的影响,且该影响在迎浪船舷的运动上更为明显,同时迎浪船舷液舱晃荡产生的压强也更大。     

多液舱晃荡与船体运动耦合数值研究

针对多液舱养殖工船耐波性数值研究计算量过大的问题，建立了一套耦合数值求解系统。使用脉冲响应函数法求解船体运动方程，基于计算流体力学方法数值模拟液舱晃荡，在时域上离散求解两者的耦合方程。讨论了CFD软件FLUENT的用户自定义函数的编制，验证了横摇回转中心位于重心所在轴线的假设的合理性。为验证计算方法的有效性，在循环水槽中进行了不同载液率下的横摇自由衰减试验。对比数值模拟结果与试验结果，计算的横摇角时历与试验值吻合良好，验证了该方法的有效性，为高效数值研究养殖工船耐波性打下了基础。     

破损舰船运动与波浪载荷预报方法

为了研究舰船舱室破损对船体运动与波浪载荷的影响,采用三维频域势流理论,计算了发生第二类舱室破损后舰船在斜浪规则波上的运动与垂向弯矩。以一典型破损情况为例,计算了船舶破损后的浮态及稳性,并与破损前进行了比较,结果显示,横摇运动及垂向弯矩明显增加,而其它5个自由度运动则有所减小。基于船舶静力学原理,分析了舰船破损对浮态及稳性的影响。最后,使用格林函数法研究了舱室进水导致的液舱晃荡,结果表明,液舱晃荡附加质量在某些频率附近有明显的共振效应,必须通过阻尼系数考虑流体粘性的影响,避免产生非物理结果。     

基于FPM的液舱晃荡研究

随着液舱晃荡运动机理的研究深入,舱内液体运动响应和自由液面波形精细模拟成为研究的重点。本文应用无网格方法中的FPM(Finite Point Method)来对液舱晃荡中的动边界及自由液面大变形等问题进行数值求解和图像模拟。以二维液舱晃荡为例,校核运动边界与内部流体粒子点间的运动响应,得到FPM对于边界所受砰击力和内部兴波波高的计算结果以及自由液面模拟图像。将计算结果进行无因次化处理,通过与试验结果进行比对,验证了FPM在液舱晃荡问题中应用的可行性和准确性,也为FPM解决三维复杂液舱晃荡问题中提供铺垫。     

VLCC液舱晃荡仿真及结构响应

当船体在波浪中运动的频率与液舱内液体振动的固有频率相近时,舱内液体将会发生剧烈的运动,即晃荡产生了.在船舶结构设计中,必须要考虑这种晃荡载荷及结构的响应.该文针对一超大型油轮(VLCC)液舱晃荡问题进行了三维仿真模拟.在DNV基于压力的晃荡评估方法的基础上,提出了应用有限元方法和任意拉格朗日-欧拉耦合技术进行该船全生命期内液舱晃荡仿真及强度评估的工程实用的步骤方法.     

粘性流体晃荡与弹性结构的相互耦合作用

提出了处理粘性流体晃荡与弹性结构相互耦合作用的理论及相应数值计算方法.流体运动采用N-S方程描述,控制方程采用有限差分法离散,并由超松弛迭代法求解.液体自由表面通过流体体积法进行重构.为了考虑液舱结构变形对液体晃荡的影响,应用了FAVOR技术.由此建立了描述液体晃荡与结构相互耦合作用的水弹性理论,并由相应的计算方法进行了系列运算,以考察二维液舱不同结构刚度对液体晃荡的影响.计算结果有助于进一步理解此类问题的物理现象.