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Level-set法的液舱液体晃荡数值模拟

船舶液舱中液体晃荡现象已引起人们的深刻关注,液体晃荡载荷与效应成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一.该文基于Level-set法,对一矩形液舱的两种工况下舱内的液体晃荡进行了数值模拟.通过计算,得到了液面起伏和压强的时间历经,结果显示Level-set方法可有效地模拟液体晃荡问题.     

弹性液舱液体晃荡数值模拟

以流体的连续方程、N-S方程与结构动力学方程为控制方程,利用动力学软件ANSYS14.0,模拟二维矩形液舱与三维棱形液舱液体晃荡现象,用VC++语言编写矩形舱壁变形运动的响应程序,分析二维矩形液舱舱壁变形对晃荡压强的影响;利用System Coupling模块实现三维棱形弹性液舱晃荡的双向耦合;通过提取监测点处压强,对比压强的时间历程,分析了不同板厚、不同材质对晃荡载荷的影响及不同监测点处压强变化特点。     

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。

     

随机激励下液舱晃荡数值模拟分析

[目的]研究随机激励条件下矩形液舱内的瞬态效应、不同谱峰频率与有义激励振幅对液舱晃荡的影响.[方法]采用计算流体力学(CFD)方法建立数值模型,通过与线性势流解析解和实验数据进行对比,验证所提数值模型的可靠性.[结果]结果显示,随机激励瞬态效应对液舱晃荡自由水面变化有显著影响,通过施加缓冲函数可以较快地获取稳定结果;当...     

液舱晃荡及其与船舶耦合运动问题的研究进展

液化天然气运输船（Liquefied Natural Gas Carrier, LNG Carrier）与浮式生产储油轮（Floating Production, Stor-age and Offloading, FPSO）是当今海洋石油天然气开发的主流船舶与工程设施。文中首先对目前国际上最为关注的LNG船/FPSO液舱晃荡及其与船舶/浮体耦合运动问题的研究思路及进展作了综述。分别对求解该类问题的模型试验和数值计算方法的最新研究成果进行了总结,分析了模型试验的特点和数值计算方法的应用范围,探讨了试验研究与数值模拟的关键技术及优缺点,并提出了加强相关研究的建议。     

共振频率下油船液舱晃荡数值模拟研究

为了解共振频率下油船液舱舱内液体的晃荡情况,文章建立三维晃荡模型及数值计算模型,采用VOF法追踪自由液面,结合动网格技术,模拟共振频率下油船液舱舱内原油的晃荡情况。结果表明,左舱壁自由液面波高不断增加,在第3个周期内左舱壁处自由液面波高达到最大值,即发生冲顶现象,往后每个周期波高呈规律变化;晃荡前期(前2个周期),舱内原油是以驻波的运动方式在舱内运动,待晃荡到达稳定状态后舱内原油以驻波与行进波组合的组合波作为舱内原油的运动方式;通过比较舱壁不同点处的晃荡压力,得出自由液面以下距自由液面远的晃荡压力越大,自由液面以上舱壁的晃荡压力最小。     

浮箱运动与液舱晃荡的变波幅耦合试验

为研究入射波对船舶运动的非线性影响和非线性规律,针对不同波高不同频率的规则波作用下的空箱和装液浮箱的运动响应进行试验研究。研究结果表明：固定频率下不同入射波高引起的浮箱运动响应具有一定的非线性特征,入射波高越大,其非线性效果越强;低频入射波高越大,浮箱运动响应幅值与波高的比值越小;高频入射波高越大,浮箱运动响应幅值与波高的比值越大。     

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。     

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.     

基于多次透射公式和无奇异边界元法模拟全非线性数值波浪水池

文章基于势流理论对全非线性的三维数值水池进行了模拟,其控制方程由无奇异边界积分方程法(Desingularized 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样条法来光顺波面.同时,在远方辐射控制面上采用多次透射公式方法(Multi-transmitting Formula,MTF)来进行消波,文中得到的结果与理论解进行了比较,结果表明该方法可用来有效模拟全非线性的数值波浪水池.     

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Youngs法的液舱大幅晃荡数值模拟

液舱大幅晃荡一直是船舶水动力学研究的热点问题.文章采用Youngs法重构自由表面,给出了自由表面单元的速度边界条件,并且对液体晃荡中出现的流体翻卷、破碎后出现的流体波面的锋-锋相遇的情况进行了分析和讨论.数值模拟结果表明,Youngs法结合适当的自由表面条件,能够较好地模拟液舱内大幅晃荡中出现的翻卷和破碎的现象.     

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。     

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.     

基于OpenFOAM的液舱在波浪中运动特性研究

当船舱内部分别载有水和冰时,每个水质点具有不同的加速度,而所有冰质点具有相同的加速度,这将导致相同质量水舱和冰舱具有完全不同的运动特性.基于开源软件OpenFOAM模拟二维液舱和冰舱在波浪中的运动过程,通过将载水舱与含有等质量冰的载冰舱的计算结果进行比较,研究液舱内水运动对于液舱运动特性的影响.建立以N-S方程和连续性...     

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.     

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。