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.     

液体晃荡数值模拟研究综述

诸多工程实际应用往往会涉及到液体晃荡问题.自上世纪50年代以来,人们业已对晃荡问题进行了许多颇有成效的研究工作且取得了丰硕成果.本文仅就液体晃荡的数值研究和进展,尤其是对各类自由液面的追踪技术进行了全面的综述.就目前而言,对晃荡进行数值研究已有数种方法可供选用,但具体采用何种方法,必须根据实际问题的特点而定,因为每种方法各有其优缺点.今后的研究工作重点应针对大幅晃荡,发展更为有效的方法以便更好地模拟自由液面的翻卷、破碎及合并和计算晃荡的瞬时冲击载荷.     

基于粒子法的液舱共振晃荡现象研究

使用一种新的无网格粒子法——移动粒子半隐式法研究了液舱的共振晃荡现象.该方法使用粒子邻居间的关系构建模型以离散控制方程中的微分项,使用粒子数密度概念来保持流体的不可压缩性和识别自由表面.文中模拟了液箱横摇以及液箱多自由度激励下混合晃荡两组实例,验证了该粒子法在自由表面流动模拟中的优越性.     

矩形液舱横荡流体载荷的Fluent数值模拟

采用CFD软件Fluent对二维矩形液舱不同舱内水深、不同激振频率时的横荡进行数值计算,并将数值结果与实验结果进行比较。结果表明,Fluent可以模拟自由面的翻卷和破碎运动现象,其对于距自由面较深点处流体载荷的计算结果与实验值相符合,但对于自由面附近点,尤其是舱顶上点处的砰击载荷,其计算结果与实验值差别较大。因此,对大幅晃荡的数值模拟仍需进一步研究。     

大型补给舰船液舱晃荡载荷计算方法

随着补给舰船的大型化,补给舰船中的液舱晃荡问题开始凸显。为给大型补给舰船的液舱结构设计提供方便、可靠的晃荡载荷输入,基于改进的VOF法,以Youngs法重构自由液面,结合部分单元参数概念,提出了一种精度更高且数值稳定的、处理非矩形复杂舱室边界晃荡载荷的计算方法。通过对不同装载情况的液舱晃荡进行数值分析,并与Hirt-Nichols算法以及实验结果进行对比,证明该方法可有效改进自由表面的模拟效果,提高舱室内部速度、加速度和压力的预报精度。网格敏感性分析证明该方法的数值稳定性较好,较粗的网格也能达到较高的精度。所建立的晃荡载荷计算方法可用于对补给舰船的液舱晃荡设计载荷进行快速、准确的预报。     

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.     

Level-set法预报液舱内剧烈晃荡引起的冲击压强

基于Level-set法就部分装载液体的液舱内剧烈晃荡引起的冲击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自山液面处的物性参数、初始化方程的求解等进行了,数值处理.通过对某一矩形液舱内的液体晃荡的计算,得到了自由表而位置和压强的时间历经曲线.计算结果同实验值的比较表明:本方法可以用于计算预报大幅晃荡引起的载荷.     

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.     

耦合激励下的液舱晃荡新型数值解法

对于液舱内流体运动的模拟,传统频域边界元方法具有很大的局限性即离散求解方程时会出现奇点问题,同时在交界面处所得速度分布精度较低。而去奇异边界元法将传统做法中直接布置于流体计算域表面节点上的奇点移至计算域外部,很好地解决了奇异性问题。该文基于去奇异边界元法,建立了模拟液舱内流体晃荡问题的流体动力学数值模型,并利用FORTRAN语言开发了可模拟任意尺度液舱晃荡的程序。文中模拟了单向激励和横荡纵荡耦合激励下液舱晃荡问题,并将结果与解析解进行了对比。结果表明,数值解和解析解吻合很好,说明了该方法的准确性和有效性。     

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。     

基于无奇异边界元法模拟三维全非线性液舱晃荡

文章基于全非线性势流理论对三维液舱晃荡进行了数值模拟,其控制方程由无奇异边界积分方程法(Desingular-ized Boundary Integral Equation Method,DBIEM)进行离散求解,在求解全非线性的自由面微分方程时,文中采用混合欧拉—拉格朗日法(Mixed Eulerian-Lagrangian,MEL)和四阶Adams-Bashforth-Moulton(ABM4)预报—修正方法,为了避免结果发散即增强数值稳定性,文中采用B样条法来光顺自由面.在微幅水平激励下,该文中得到的结果与解析解吻合较好.     

Numerical Simulation of Liquid Sloshing——a Review

Liqui dsloshing is associated with various engineering problems．Many studies have been performed since 1950s．A comprehensive review on the study and advance of numerical simulation of liquid sloshing．with emphasis on free surface tracking techniques，has been presented in this paper．At present．several methods can be used to simulate liquid sloshing numerically．However，each method has its own advantages and disadvantages and it should be applied according tO characteristics of practical engineering problems．In the future．further work should be placed on developing more effective techniques for treating very large amplitude sloshing problems，namely，for simulating overturning，breaking and merging of free surface，for predicting transient impact loads pressure of sloshing．     

A numerical study of the effects of bottom and sidewall stiffeners on sloshing behavior considering roll resonant motion

In the present study, aiming to provide practical guidance for the structural design, the effects of the small bottom and sidewall stiffeners on sloshing loads in shallow and intermediate liquid conditions are investigated numerically. The interaction between the highly nonlinear free surface flow and a large number of small stiffeners is modeled based on the Moving Particle Semi-implicit method. 2D models of a rectangular clean tank and tanks with small sidewalls or bottom stiffeners are considered. For filling ratios ranging from 5% to 20%, harmonic angular motions with periods around the analytical sloshing resonant ones are applied. Simulation snapshots and computed pressure time series, pressure variation, wave run-up, maximum fluid velocity, and kinetic energy were provided to clarify the complex interaction between the small baffles and the shallow free surface flow. As a result, except for the tanks with bottom stiffeners in shallow liquid conditions, in which the response under actual resonant frequency should be considered, the response computed using the clean tank excited by its resonant period can be adopted as a conservative estimation for the sloshing loads of actual tanks with small stiffeners.     

纵摇容器中液体晃荡的非线性数值模拟

在海洋工程领域,液体晃荡是一种普遍存在的物理现象。对于船舶而言,转动比平动有着更重要的影响。该文针对纵摇容器中的液体晃荡问题,采用高阶边界元方法建立自由水面满足完全非线性边界条件的时域数学模型。通过大地坐标系和随体坐标系之间的坐标变换,使得计算域仅控制在随体坐标系内。求解中采用半混合欧拉—拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与已发表试验和数值结果的对比,验证了建立模型的准确性。进而开展大量数值试验研究容器纵摇运动频率、纵摇转动中心和容器中布置一竖直隔板对晃动波面与荷载的影响。     

Ship motion-sloshing interaction using a field method

Even in relatively calm waters, low amplitude wave-induced motions of an LNG carrier may induce large amplitude liquid sloshing inside the ship's partially filled tanks, and the interaction between ship motions and sloshing may affect the ship's seekeeping properties. A computational procedure, here referred to as the RANS-RANS method, was developed to account for this interaction, and this method was then employed to predict the free surface flow inside the tanks and the corresponding motions of the ship in regular head and beam waves. This method coupled a compressible VoF technique with a generic wave generation and absorption scheme to obtain wave-induced ship motions with and without considering the effects of sloshing in the ship's tanks. Systematic grid studies were performed to obtain a sufficiently fine grid needed to yield converging predictions. The resulting wave patterns, ship motions, and internal sloshing elevations were compared with results obtained from a computational method, here referred to as the RANS-BEM method, that relied on a boundary element method to obtain ship motions. This RANS-RANS method was validated against model test measurements.