海上平台利用TLD的减震研究

通过减震试验和数值计算来研究液体调频阻尼器(TLD)在地震荷载作用下对渤海CB32A海上平台的减震作用。减震试验主要研究缩尺后TLD对平台模型在EL Centro波、天津波及规范谱拟合人工波作用下所产生的振动反应的影响。数值计算主要研究原型结构受上述地震波的激励作用的TLD减震效果。结合试验和理论分析结果,给出了海洋平台结构的TLD减震控制的一般设计方法,以供设计人员参考。     

Comparative assessment of liquid sloshing in dry and wet storage tank of floating offshore platform

In order to explore the characteristics of the single-layer liquid sloshing in offshore dry oil storage tank and the two-layer liquid sloshing in offshore wet oil storage tank, two series of experiments were carried out: one was free surface sloshing in a closed rectangular tank partially filled with colored water, and the other was interfacial sloshing in the identical tank but completely filled with white oil and colored water. The tank was mounted on a shake table and was subjected to harmonic horizontal excitation with different excitation amplitudes and a wide range of excitation frequencies, including the first seven natural modes of single-layer or two-layer liquid system. The present study find that the frequency responses of interfacial sloshing wave are analogous to those of the free surface sloshing wave, but smaller in amplitudes. The experiments also produce results that are unique to the two-layer liquid sloshing. For example, when the external excitation frequency is equal to or close to the odd mode natural frequency of two-layer liquid system, a complicated three-dimensional (3D) gravity-capillary wave might be generated at the oil-water interface. Finally, the comparisons of free surface and interfacial sloshing in the viscous damping ratio, higher sloshing modes, impact pressure amplitude and mass center displacement were conducted, which revealed the superiority of wet storage technology in structural safety and dynamic stability.     

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。     

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。     

基于镜像SPH的三维容器液体晃荡研究

基于SPH方法对液体在三维矩形容器中的非线性晃荡问题进行了数值模拟研究。采用镜像粒子边界建立三维模型,成功解决传统SPH方法在容器壁产生缝隙的问题。对横荡和横摇两种容器运动形式进行数值模拟,在液面时间历程、不同时刻液体形态、点压强以及液体晃荡作用力等方面与其他学者的实验研究结果和数值计算结果进行对比验证,表明此三维模型的正确性。     

Study on sloshing in cargo tanks including hydroelastic effects

The sloshing problem in cargo tanks is studied through experiments and numerical analysis. The fluid motion is described using a higher-order boundary element method and the structural response by a thin plate theory. It was found that hydraulic jumps are formed when the excitation frequency is close to the resonance frequency in the case of low filling depth. In the case of high filling depth, the flow resonates and hits the top of the tank, thus inducing a large impact pressure. The pressure on the flexible plate shows amplified initial peaks followed by oscillatory components, the frequency of which coincides with the natural frequencies of the plate in water as a result of hydroelastic effects. Received for publication on Nov. 18, 1998; accepted on May 14, 1999     

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。     

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。     

两种运动平台下晃荡冲击荷载的实验研究

由液体晃荡引起的冲击荷载主要与外部激励(激励频率和激励幅值)和装载率相关。大尺度物理模型实验通过运动平台在室内复现液舱的运动,进而实现在室内对储液舱内晃荡载荷的研究。因此,平台的运动能力、运动的精确性对液体冲击载荷的实验结果非常关键。为了研究不同类型运动平台的运动性能及其对储液舱内冲击载荷的影响,文中以大比尺二维矩形舱为模型,分别在单自由度运动平台和六自由度运动平台开展系统的液体晃荡冲击实验。实验结果表明:仅考虑水平运动,单自由度平台的精度要高于六自由度平台;在个别工况下,两个平台下冲击荷载时程和特征值的对比结果出现了一定差别,但是晃荡冲击荷载的整体趋势基本一致。通过评价单自由度和六自由度两种类型的运动平台在液体晃荡研究领域应用的适用性,为大尺度室内晃荡模型实验中运动平台的选择提供参考     

液舱内不同结构形式对晃荡的影响分析

采用光滑粒子水动力学法( SPH)对二维晃荡问题进行了计算和分析.研究了“I”型和“T”型2种结构形式对矩形液舱内液体晃荡的抑制效果.通过对不同隔板尺寸的对比研究,得到了隔板高度和宽度对晃荡的影响作用.数值分析结果表明,“I”型和“T”型种防晃结构在高度为水深的60％～80％时具有很好的防晃效果.对于“T”型防晃结构,...     

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.     

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。     

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.     

浅液深和挡板影响下遭受横摇激励的晃荡问题数值研究（英文）

Sloshing is relevant in several applications like ship tanks,space and automotive industry and seiching in harbours.Due to the relationship between ship and sloshing motions and possibility of structural damage,it is important to represent this phenomenon accurately.This paper investigates sloshing at shallow liquid depths in a rectangular container using experiments and RANS simulations.Free and forced sloshing,with and without baffles,are studied at frequencies chosen specifically in proximity to the first mode natural frequency.The numerically calculated free surface elevation is in close agreement with observations from experiments.The upper limit of the resonance zone,sloshing under different filling depths and roll amplitudes and sloshing with one,two and four baffles are also investigated.The results show that the extent of the resonance zone is reduced for higher filling depth and roll amplitude.It is also found that the inclusion of baffles moves the frequency at which the maximum free surface elevation occurs,away from the fundamental frequency.Finally,a submerged baffle is found to dissipate more energy compared to a surface piercing baffle and that the effect of several submerged baffles is similar to that of a single submerged baffle.     

考虑流体-桩-土相互作用的独桩平台波浪响应的TMD 控制研究

采用调谐质量阻尼器对独桩平台的波浪响应进行控制，在对受控结构的波浪响应进行随机振动分析时，考虑了流体－桩土桩互作用的影响，通过一算例具体讨论了TMD的参数对控制效果的影响，计算经表明，适当选择TMD的参数可有效地控制独桩平台的波浪响应，因此TMD在简易平台的振动控制领域有着良好的应用前景。     

采用耦合有限元、边界元方法的矩形储液舱中液体晃荡数值仿真(英文)

Sloshing of liquid can increase the dynamic pressure on the storage sidewalls and bottom in tanker ships and LNG careers. Different geometric shapes were suggested for storage tank to minimize the sloshing pressure on tank perimeter. In this research, a numerical code was developed to model liquid sloshing in a rectangular partially filled tank. Assuming the fluid to be inviscid, Laplace equation and nonlinear free surface boundary conditions are solved using coupled FEM-BEM. The code performance for sloshing modeling is validated against available data. To minimize the sloshing pressure on tank perimeter, rectangular tanks with specific volumes and different aspect ratios were investigated and the best aspect ratios were suggested. The results showed that the rectangular tank with suggested aspect ratios, not only has a maximum surrounded tank volume to the constant available volume, but also reduces the sloshing pressure efficiently.     

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.     

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.     

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。     

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。