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。     

MPS方法模拟三维圆柱形液舱晃荡问题

[目的]为了研究在单自由度横荡激励下,激励频率对液舱晃荡现象的影响,将移动粒子半隐式(MPS)方法应用于水平圆柱形液舱晃荡问题。[方法]基于改进的MPS方法和GPU并行加速技术,课题组将自主开发的无网格粒子法求解器MPSGPU-SJTU应用到三维圆柱形液舱晃荡问题中。首先,进行模型验证,对激励频率为一阶固有频率时的晃荡现象进行模拟。然后,在此基础上进行不同激励频率下的晃荡现象计算,并将激励频率在1.2 Hz的模拟结果与实验结果进行对比。最后,在此基础上模拟不同激励频率下液舱的横荡运动。[结结果]结果显示,MPSGPU-SJTU求解器能够较好地模拟圆柱形液舱内的液体晃荡现象,也能较为精确地计算液舱受力;当激励频率在固有频率附近时,晃荡现象十分剧烈,当远离固有频率时,晃荡会迅速变弱,液舱受力也随之迅速减小。[结论]所得模拟结果能够为圆柱形液舱的设计应用提供有效参考。     

薄膜型LNG液舱晃荡压力与结构响应试验

影响薄膜型LNG船大型化的一个关键问题是严重的液舱晃荡冲击压力以及由此引起的复杂和危险的结构动响应,至今模型试验是研究此类问题的最重要的方法。本文以某大型LNG船尺度较大和运动较剧烈的2号液舱为研究对象,设计了精细的三维晃荡试验模型,通过不同载液水平的系列规则和不规则运动激励的晃荡试验研究晃荡冲击压力特性;基于薄膜型液舱围护系统结构性能计算结果,设计四边简支铜板格分析液舱围护系统结构弹性效应;另外,还利用浪高仪测量液舱波面运动情况。试验结果表明不论规则运动激励,还是不规则运动激励,晃荡冲击压力幅值均表现出明显的随机性,工况可能产生远大于单自由度运动工况的晃荡冲击压力。晃荡冲击压力、应力和波面测量结果可为验证晃荡数值方法和液舱围护系统结构设计提供依据。     

大型LNG船液舱晃荡载荷数值预报和模型试验比较

大型LNG船液舱晃荡冲击载荷的合理预报是液舱结构安全性设计和评估的基础。针对部分装载的LNG船液舱的晃荡载荷开展数值预报方法研究,建立了合理的数值模型和计算方案。通过典型菱形液舱的三维晃荡模型试验,获得LNG液舱在各种运动模式下流体拍击舱壁的冲击载荷特性。在数值计算和对比分析中,首先对舱内液体在各种运动模式下的晃荡固有频率进行了搜索,然后在各个固有频率下进行了变幅值激励和耦合运动激励下的冲击压力计算,得到了不利运动工况下的冲击压力预报结果。数值模拟结果与模型试验结果的比较表明,提出的液舱晃荡数值计算方法能够合理地预报大型LNG船液舱晃荡载荷特征。在此基础上,对各种载液水平和运动模式下大型LNG船液舱内壁的压力分布进行了详细计算,可供液舱围护系统结构设计和安全性评估参考。     

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。     

基于CFD的大型船舶液舱晃荡研究

本文基于黏性流理论,结合VOF方法进行了大型船舶液舱晃荡及制荡问题的数值研究.首先,证明了液舱纵向尺度对于横向晃荡的影响很小,可以用二维模型替代三维模型进行计算以提高效率,且对于特殊的对称液舱布置形式,40％载液率下施加一定周期的外部横摇激励,舷侧舱壁处的液舱晃荡更为剧烈;其次,完成了不同激励周期下的数值计算,结果表明激励周期在1～1.3倍液舱一阶固有周期范围内时液舱晃荡较为剧烈,其中一阶共振时两舱壁处波面升高及受力均达到最大值.此外,研究了不同隔板形式对制荡的影响,发现相同面积下垂向单隔板制荡作用较垂向双隔板和横向双隔板更为优越.最后,进行了实际尺度下的数值模拟,通过结果对比可知,模型尺度下计算得到的各隔板制荡作用弱于实际尺度下的模拟结果,存在一定的"安全裕量",验证了运用相似理论研究液舱晃荡的可行性.     

三维弹性液舱晃荡数值模拟

文章建立了弹性液舱晃荡的数值计算方法。结构域采用有限元法进行离散,流体域的控制方程则采用有限体积法进行数值离散,结构域和流体域之间通过ALE法实现耦合。文中以31.6万吨VLCC实船的液舱简化模型为研究对象,基于MSC.Dytran对液舱内的晃荡载荷以及与弹性液舱的耦合作用进行了计算。首先将舱壁刚化,晃荡载荷与其它CFD计算结果进行比对,验证了计算方法的可行性及正确性。然后在此方法的基础上,模拟了三维弹性液舱内液体的晃荡,以研究外界激励、装载率等参数变化对晃荡载荷与响应的影响,揭示了弹性液舱内液体的晃荡特性。     

长时间规则激励下的二维液舱晃荡试验尺度效应研究

对于大型液舱晃荡问题,目前室内模型试验是能够真实复现晃荡规律最可靠的方法,但模型试验在Froude相似准则下换算得到的原型结果却不一定能与原型实测结果完全一致。因此,尺度效应对结果换算的影响一直为国际研究热点。论文采用缩尺比为1:1、1:2和1:3的系列二维GTT液舱,在长时间横荡规则激励作用下,针对20%载液率开展晃荡试验尺度效应研究。通过Froude相似准则将模型液舱冲击载荷试验结果换算到原型液舱,并对载荷峰值作超越概率统计以及三参数Weibull分布拟合;试验结果表明,将模型结果换算到原型时存在明显差异;通过对冲击过程中流场形态分析发现气液密度比是导致模型和原型结果之间存在较大差异的重要原因。而且,模型液舱比尺越大越能真实反应原型液舱晃荡冲击规律。该研究结果可为大型液舱工程设计提供有益的参考。     

基于粒子法的水平挡板对液舱晃荡现象影响的分析

液舱晃荡是复杂的流固耦合现象。液舱晃荡不仅会影响船舶的稳性,而且会冲击液舱壁面产生巨大的砰击力,对船体结构产生局部破坏,导致液货泄露甚至船体倾覆。论文基于改进的移动粒子半隐式方法建立液舱晃荡的数值模型,通过计算结果和试验的比较,验证数值模型的有效性。在此基础之上,探究不同高度和长度的水平挡板在改善液舱晃荡现象方面的作用。     

基于晃荡载荷的液舱结构强度研究

通过液舱晃荡载荷的数值模拟与模型试验对比分析,验证数值模拟方法适用于目标船液舱晃荡载荷的计算。基于晃荡载荷数值计算结果,采用2种方法对晃荡冲击载荷简化处理,对目标船液舱进行动力响应分析,并与规范晃荡载荷下液舱结构响应对比分析,得到液舱结构在晃荡冲击载荷作用下的响应和结构强度评估的工程分析方法,为目标船液舱结构设计提供依据。     

基于VOF法的半球-圆柱体液舱晃荡数值模拟

利用三维建模软件建立了纵荡激励下半球-圆柱体液舱内粘性液体晃荡的数值模型,利用计算流体动力学软件对不同工况下的液体晃荡进行了数值模拟,得到了液体对各监测点的作用力和液舱模型的一阶固有振动周期,分析了不同装载率、不同激励幅值、不同激励频率对液舱内液体晃荡的影响。     

LNG船液舱晃荡数值模拟

为了研究船的液舱晃荡问题,基于CFD软件Fluent,计算、分析了LNG实船液舱内液体的三维晃荡特性.首先通过与试验数据的比较,验证了三维数值模型的正确性,分析了网格等要素对监测壁面压力的影响.其次通过数值模拟,分析了舱长变化对液体晃荡的影响,说明了三维研究的必要性.最后对LNG船的液舱晃荡进行了三维数值模拟.结果表明,数值计算模型可行,能准确揭示晃荡中的各种现象.     

液舱晃荡载荷数值模拟中的流固耦合影响研究

为了研究大型化后LNG船液舱围护系统结构弹性对液舱内晃荡冲击压力的影响,采用基于显式时间积分方法的有限元/有限体积法程序模拟流体和结构的运动和变形及其相互作用。论述了数值模拟方法及其重要相关参数,以二维矩形刚性液舱模型为例模拟晃荡,得到的结果分别与计算流体程序和试验的结果比较,论证了该数值计算方案的可行性。进一步进行了三维刚性和三维弹性模型的液舱晃荡分析,比较了不同模型对液体运动和舱壁冲击压力的影响。文中研究结果对液舱结构晃荡冲击载荷评估具有参考价值。     

液体晃荡荷载与液舱运动相位关系的数值研究

该文从相位角度出发,采用CFD的数值方法研究简谐激励下液体晃荡整体荷载与液舱运动的相位关系。首先,通过模型实验验证数值方法的可靠性,然后,以横荡激励下的二维矩形舱晃荡为例,研究不同载液率工况下,相位差和晃荡整体荷载幅值随激励频率的变化关系。结果表明:基于VOF法的数值模拟能较好地模拟液舱内液体晃荡;在自由面共振频率附近(0.8 f0~1.2 f0),相位差随激励频率增加而增大;频率比相同时,相位差随载液率的升高而增大;相位差90°时,相位差对应频率低于共振频率,且与晃荡荷载最大值对应频率基本相等。     

潜艇液舱晃荡对其稳性影响的数值仿真与评估

结合潜艇耐波性和稳性的问题,分析液舱内的自由液面晃荡现象,建立潜艇液舱液体晃荡的数值仿真模型,利用计算流体力学软件Flow 3D,对潜艇横摇过程中液舱的液面晃荡进行模拟,根据数值计算结果,分析液舱晃荡对潜艇稳性的影响。     

二维矩形弹性液舱内液体晃荡数值模拟研究

阐述ADINA数学模型及相关数值方法,以二维矩形刚性液舱模型为例模拟液体晃荡,将所得的结果与解析解进行比较,验证该模型的有效性;通过数值模拟,研究二维矩形弹性液舱内的液体晃荡,分析不同刚度、不同频率对液体晃荡自由液面波高运动的影响。     

基于改进VOF法的棱形液舱液体晃荡分析

为了提高传统VOF数值方法计算棱形液舱晃荡载荷的效率和改进对棱形液舱边界数值模拟的精度,首先采用部分单元参数概念,对传统的VOF方法进行数值改进.然后采用改进的VOF方法对棱形液舱模型在不同充装水平,不同横摇激励周期条件下进行数值模拟,计算了舱内自由液面运动历程和舱壁各点冲击压力历程,并与实验结果进行了比较,得到与实验结果相一致的结论.同时通过网格敏感性分析,得到采用改进的VOF方法时的数值计算网格粗细对数值计算结果的精度影响较小的结论.     

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。     

Experimental Study and Numerical Simulation of Sloshing in VLGC Tanks with Internal Structures

文章对VLGC液舱模型内的晃荡做了数值及试验研究.装在液舱不同位置的5个压力传感器用于测量纵摇情况下晃荡对舱壁的冲击压力.同时建立了计算流体动力学的模型来模拟舱内的晃荡,采用基于RANS控制方程的标准资-着湍流模型,其中VOF法用于追踪自由表面,动网格技术用于更新计算网格.通过与试验压力时间历程的比较,验证了数值方法的有效性;数值研究了没有内部结构及有内部结构情况下的液舱模型,并且讨论了强肋框、水平桁及制荡舱壁对于压力及液舱内液体固有频率的影响.     

SPH求解器的开发及其在液舱晃荡数值模拟中的应用

本文提出一种改良的SPH固壁边界条件处理方法,并基于此开发适用于模拟液舱晃荡的数值求解器。采取该求解器对液舱晃荡现象进行数值模拟,结果与相关文献结果相当吻合,验证了其可靠性和准确性。在此基础上,通过计算分析横荡状态下不同隔板高度液舱晃荡时所产生的壁面压力和液体重心高度变化趋势,探讨了隔板高度对液舱晃荡的影响规律和物理机制,并为防荡隔板的设计提出合理建议。