船载液化矿粉晃荡特性的数值仿真与实验研究

近年来,以镍矿粉为代表的易流态化货物在海上运输中由于矿粉随船舶持续晃荡形成液化流动导致沉船的事故时有发生。本文首先基于常见船舱结构尺寸建立三维船载液化矿粉数值模型,然后利用高性能计算机和CFD软件Fluent模拟分析数个周期内矿粉随船舱横摇时的运动变化规律,并对更长时间内矿粉货物受晃荡影响产生单侧堆积现象加剧趋势进行模拟分析。此外,通过室内小比例模型进一步考察研究液化矿粉晃荡的形成过程,并通过实验数据和对应小比例数值模型计算结果的对比,对研究手段和数据的准确性进行相互验证。研究结果旨在为矿粉货物的远洋运输安全和相关沉船成因分析提供依据和参考。     

液舱内三维液体非线性晃荡的数值模拟

晃荡是一种非常复杂的非线性液体流动现象,载液船舶的晃荡问题颇受关注,因为在外界的激励下液舱内会产生剧烈的晃荡现象,巨大的晃荡冲击力会造成结构的破坏.文中建立了三维晃荡数学模型及数值计算模型,借助处理自由表面的VOF(volume of fluid)方法对液舱内液体晃荡的自由表面进行追踪,编制程序实现了液舱内三维液体非线性晃荡的数值模拟,并就三维刚性液舱内粘性液体的自由晃荡和强迫晃荡做了分析,讨论了液体不同粘性系数对晃荡的影响.模拟结果证明了三维晃荡理论的可行性.     

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。     

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。     

LNG船液舱晃荡的数值模拟

随着海上液化天然气开采和卸载的发展，LNG船非充满舱的晃荡问题已成为一个重要的研究课题。基于流体体积（VOF）法描述晃荡流场的自由面，结合动网格技术，建立了适合不同几何形状的液舱晃荡数值模拟的计算方法。首先针对二维矩形舱和三维立方体舱及薄膜型舱进行了计算，并将相关的横向力、波高和压力曲线与试验结果作对比，吻合较好，验证了此法的可行性和有效性。然后，对三种不同类型的LNG液舱模型（球形舱、圆柱形舱和薄膜型舱）分别进行了系统的晃荡数值计算与分析，将三者的力、力矩、压力计算结果以及自由液面形状进行了比较分析。结果表明，三种液舱模型在晃荡过程中的结果和现象十分类似，通过对液舱在晃荡过程中的受力和舱室容积的综合衡量，作为一种LNG船的新型舱室，圆柱形舱室是很有发展前景的。     

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.     

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。     

FPSO液舱晃荡与船舶时域耦合运动数值模拟

液舱晃荡对船舶运动产生的影响经常被忽略或线性化处理,而当液舱液量较低时,船舶运动与液舱晃荡耦合的非线性性是极为显著的。通过对加入液舱内液体粘性影响的时域方程进行求解,分析FPSO模型船舶与液舱晃荡耦合运动,并将求解结果与试验数据和频域方程求解结果进行对比。首先,采用Hydrostar软件基于频域势流理论得到水动力系数以及波浪载荷。然后,通过脉冲响应函数法(IRF)在时域积分得到波浪辐射力。最后,计算船舶与液舱晃荡耦合运动。一方面,通过CFD软件Fluent模拟液舱晃荡,获取晃荡所产生的力及力矩,并以外力形式加载于船体,得到船舶运动响应;另一方面,在船舶运动仿真计算结果的基础上求解液舱晃荡运动。结果显示:这种计算船舶与液舱晃荡时域耦合运动的方法较频域计算方法更为精确,且得到的船舶幅值响应算子(RAO)也符合试验结果。     

大型LNG船液舱晃荡载荷及响应模型试验研究

液舱晃荡是大型液化天然气船液舱设计中的重要问题之一,具有强非线性和离散性,很难确定其载荷值.为了研究大型液化天然气船液舱晃荡冲击载荷及其对结构的响应,文章开展了典型菱形液舱的三维晃荡模型试验,获得了大型LNG船液舱在各种运动模式下的流体拍击舱壁的冲击载荷特性以及液舱围护系统结构在晃荡冲击载荷作用下的动响应特征.     

液体晃荡自由液面波高的相似关系的实验研究

采用模型实验进行液体晃荡问题研究时,相似关系是模型实验设计及结果分析中的一个关键问题,目前尚没有系统的针对不同比尺下液舱晃荡波高的相似关系研究。本文采用三个不同比尺的二维GTT八边形液舱,对比分析了不同比尺的模型液舱在单次激励下液体晃荡冲击的完整过程。结合波高幅值和高速视频研究波高,结果表明液舱晃荡波高均具有双峰形式,三个比尺的液舱整体流场形式相似,但晃荡冲击的物理现象存在差异。在相同实验介质下,大比尺液舱中晃荡冲击现象复杂,而小比尺液舱中晃荡冲击平缓,分析认为粘性是造成该差异的重要原因。此外,晃荡波高的相似关系与比尺有关。     

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。     

计及弹性支撑效应的独立液舱晃荡数值分析研究

文章针对弹性支撑结构作用下的液舱晃荡问题,采用基于Hilber-Hughes-Taylor(HHT)格式的隐式直接积分法求解液舱运动,应用VOF法求解流体晃荡,并结合部分单元参数的概念处理棱形液舱边界,建立了液舱运动与流体晃荡双向耦合迭代算法。以独立液舱为研究对象,通过耦合求解弹性支撑液舱晃荡,并与非弹性支撑液舱晃荡进行比较,分析了在不同刚度的弹性支撑结构作用下液舱液体运动及晃荡载荷的变化规律。该文建立的分析方法为含弹性支撑的独立液舱晃荡载荷预报提供了一种快速、有效的分析手段。     

液舱内大幅晃荡引起的压强预报

本文基于流体体积(VOF)法就部分装载液体的液舱内的晃荡压强进行了二维数值计算.为了模拟大幅晃荡引起的冲击压强,重点对数值计算较为敏感的速度边界条件进行了数值处理.通过对某一矩形液舱内的液体晃荡的计算,得到了自由表面位置和压强的时间历经曲线.计算结果同实验值的比较显示:本方法可以用于计算预报大幅晃荡引起的载荷.     

三维矩形弹性液舱内液体晃荡数值模拟研究

为了解三维弹性液舱内液体晃荡情况,采用ADINA模拟不同激励频率下液舱内液体的晃荡,将所得的结果与解析解进行对比,得到不同载液率下弹性液舱内液体晃荡特点,得到液舱载液率、外界激励等参数变化对液体自由表面运动及晃荡荷载的影响.     

耙吸式挖泥船的泥舱晃荡载荷及其效应分析

耙吸挖泥船具有泥舱长且宽、泥浆密度大等特点,存在泥浆晃荡现象。文章参照BV规范,对17 000 m3耙吸挖泥船的晃荡载荷特性以及晃荡工况与常规工况下泥舱结构的应力进行分析和对比,发现在特定情况下泥浆晃荡将使主甲板及横舱壁的最大应力增大200%左右,并使内壳及强框架等的应力增大15%~50%,从而对船体结构产生较大影响。     

LNG船液舱晃荡载荷滤波算法研究

晃荡载荷是船舶液舱及其内部结构的主要载荷,可能对船舶结构产生破坏。本文提出的用于处理LNG船液舱晃荡载荷的双重中值均值限幅组合滤波光顺方法能有效地为船舶结构设计和强度评估提供更加稳定、准确的晃荡载荷。针对模型液舱液体晃荡的数值模拟数据进行滤波分析,分析压力、速度和加速度值的滤波效果,分别与实验数据和小波变换滤波效果比较,并对滤波算法的滑移步长进行了敏感性分析,提出了合适的滑移步长取值。     

独立B型LNG棱形液舱晃荡载荷数值分析

针对独立B型棱形液舱的结构特点,采用基于Hilber-Hughes-Taylor格式的隐式直接积分法求解液舱运动,应用VOF法求解流体晃荡,结合部分单元参数的概念处理棱形液舱边界,计算了计及弹性支撑效应的独立B型液舱晃荡。通过目标船计算,发现计及弹性支撑效应的液舱晃荡载荷会略大于不计及弹性支撑效应的晃荡载荷;通过不含内部构件弹性支撑液舱、含内部构件弹性支撑液舱和含内部构件非弹性支撑液舱晃荡的比较,分析了独立B型液舱晃荡载荷的特点以及内部构件对波面的限制作用。探讨的计算方法可为独立B型棱形液舱晃荡载荷的预报和分析提供一定的参考。     

基于MSC.Dytran的液舱晃荡分析

液货船发展的关键技术之一是解决液舱内流体的晃荡问题。MSC.Dytran有限元程序能较好的模拟贮液容器的液面晃荡问题。以载液船舶液舱为研究对象,利用MSC.Dytran程序对矩形液舱在一确定装载水平下的液面晃动进行仿真分析,得到了不同时刻舱内液体的液面形状。     

晃荡对CSR油船设计的影响

为明确船舶营运过程中晃荡载荷对不同船型液货舱构件的影响,基于《散货船和油船结构共同规范》,分析晃荡载荷的形成及决定晃荡载荷的因素,结合纵向和横向晃荡在油船中的具体载荷水平,分析晃荡运动对CSR油船液货舱结构的影响,以VLCC制荡舱壁为优化目标,提出新的设计方案,采用MSC.Patran&Nastran有限元分析软件,论证制荡舱壁局部开孔的可行性。     

LNG燃料舱晃荡载荷数值分析

以某冷藏集装箱船的薄膜型液化天然气(LNG)燃料舱为例，考虑船舶运动与燃料舱内LNG晃荡的耦合作用，根据势流理论在时域内求解燃料舱内LNG的晃荡压力，将作用在舱壁的晃荡载荷分解为脉冲压力和非脉冲压力。将随时间变化的LNG脉冲压力作为虚拟的附加质量耦合船舶的运动，采用数值模拟的方法分析LNG燃料舱的晃荡压力。结果表明，当燃料舱距离船中较远、重心较高时晃荡压力大幅增加。研究成果对其他类型的LNG燃料舱晃荡压力的计算具有一定的参考意义。