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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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Level-set法的液体晃荡与弹性液舱耦合作用研究

对基于Level-set法模拟液舱液体晃荡的数值模型进行了改进,实现了对大幅晃荡引起的抨击载荷的模拟.运用水弹性力学理论论述了液体晃荡与弹性液舱耦合作用的分析方法,建立了相应的水弹性力学方程.数值算例与实验结果的比较验证了对抨击载荷模拟的正确性;通过对晃荡载荷引起的结构响应的计算分析,得出一些关于结构响应特性的重要结论.     

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。     

耦合运动下液货舱晃荡压力预报研究

针对液货船舱晃荡载荷预报问题,进行了单自由度简谐运动激励下液舱模型试验,研究冲击压力特性,并选择70%H装载水平工况开展数值计算比较,结合试验结果得到计算预报的修正系数,同时用简单解耦方法根据单自由度修正系数对纵横摇耦合运动下的压力计算结果进行修正,所得结果可为晃荡载荷工程评估提供参考。     

液舱内流体晃荡特性数值研究

本文利用VOF法对矩形液舱内液体晃荡进行数值计算。首先对舱内无任何隔板时液体晃荡作了模拟,并与相关文献中的实验结果进行了比较;然后在舱底中间设置一道不同形式的防晃隔板,对液体晃荡进行了计算。从结算结果看,本文提出的方法可以用于分析液舱内液体的运动和载荷,为设计合理的液舱结构形式提供理论依据。     

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.     

Numerical simulation of violent sloshing by a CIP-based method

In this article, a new computational fluid dynamics simulation approach based on the constraint interpolation profile (CIP) method is applied to tackle the violent sloshing problem. The present study considers two-dimensional sloshing phenomena in a rectangular tank. By the proposed method, the sloshing problem is viewed as a multiphase problem that includes water and air flows. A stationary Cartesian grid is used and the free surface is solved by an interface capturing method. The CIP combined unified procedure (CCUP) scheme was adopted for the flow solver, and both the CIP scheme and the CIP conservative semi-Lagrangian with cubic interpolation polynomial (CIP-CSL3) scheme were used for interface capturing. For validation of the numerical method, a physical experiment was conducted with a rectangular tank for several frequencies and filling heights. A convergence check was first performed for the method. The numerical simulation results on violent sloshing show that the use of the CIP-CSL3 scheme as an interface capturing procedure gives much better results for the pressures and free-surface profiles than the conventional CIP scheme.     

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.     

Numerical model of energy dissipation and shallow-water sloshing motions in tank under different coupled excitations

Shallow-water sloshing motions in a three-dimensional rectangular tank are investigated. The Boussinesq-type equations in terms of velocity potential and the finite-difference scheme are applied for the solutions of numerical model. Through linking the rate of decay of the wave amplitudes to the energy dissipation due to the friction at the tank walls, a linear damping term is proposed and added into the free surface boundary condition. Taking the tank under excited frequencies near the lowest natural frequency, the maximum transient wave amplitudes and steady-state wave amplitudes of sloshing motions at the tank wall are presented and verified by the experimental results given in the literature. The characteristics of sloshing motions in tank under different coupled excitations are studied. The results indicate that coupled surge-sway excitations lead to the weaker nonlinear sloshing motions in tank than the single degree of freedom excitations. The intersection of sloshing wave crest lines finally tend to the diagonal line of the tank under the coupled surge-sway excitations with different amplitudes. And the irregular free surface oscillations appear at the corners of the tank excited by the coupled surge-sway-roll-pitch-yaw harmonic motions.

     

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.     

Liquid sloshing in a swaying/rolling rectangular tank with a flexible porous elastic baffle

The flexible porous elastic baffle was proposed as an anti-slosh device to reduce the liquid sloshing in a swaying/rolling rectangular tank. The analytical model was developed to assess the effectiveness of the porous elastic baffle on liquid sloshing. A one-dimensional beam model, along with Darcy's model, was taken to implement the characteristics of porous elastic baffle. The matched eigenfunction expansion method (MEEM) with the Green function for the liquid sloshing interaction with the porous elastic baffle was employed. Numerical results were presented that illustrate the effects of the baffle's geometry (porosity, height), and structural parameters (flexural rigidity, stiffness of mooring line) on the liquid sloshing. Through parametric studies, the flexural rigidity, porosity, and mooring line's stiffness have to be adjusted properly to enhance the sloshing-reduction effect. The flexible porous elastic baffle showed the potential as a useful anti-slosh device within a limited application range compared with a rigid baffle.