加注过程液舱晃荡与运动耦合试验与数值模拟研究

加注会改变液舱内液体的质量,再加上实际水域中风浪的影响,使液舱晃荡与液舱运动十分复杂,影响船舶的航行安全和工作效率。针对该问题,在试验中通过向处于静水中做横摇衰减运动的液舱模型持续加注来进行分析,研究10°初始横倾角状态下,不同加注速度对30%载液率和50%载液率液舱的横摇频率和衰减速度及舱壁压力的影响。将试验结果与数值模拟进行对比,验证了数值方法的准确性。结果表明：加注会降低液舱横摇的频率并且加快其横摇衰减速度,载液率越高时加注的影响越明显。     

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。

     

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。     

横浪中液舱晃荡与养殖工船耦合运动

多液舱养殖工船需长时间系泊在深远海区域,载液率极高,所处海况复杂,对其开展耐波性研究尤为重要.基于黏性流理论,以Stokes 5阶波模拟实际规则波,借助VOF方法捕捉自由液面,采用重叠网格技术实现船体的自由运动,通过数值计算研究实尺度下液舱对不同频率横浪中工船运动响应的影响.计算结果表明,液舱晃荡对船体运动的影响随海况变化,当船体横摇运动2阶频率与液舱固有频率相近时会产生共振,液舱晃荡周期随之改变,从而使船体的横摇运动幅度增大近30％.此外,当船体两侧都布置液舱时,横浪中迎浪侧的液舱晃荡较背浪侧更为剧烈,其垂向受力幅值变化范围约为后者的3倍.     

船舶液舱晃荡研究进展

全面综述了液舱晃荡的工程背景和国内外船舶液舱晃荡的研究方法及发展动向。概述了基于VOF法、Level-set法、SPH法、ALE法的液舱晃荡研究进展,以及每种方法的优缺点。最后介绍了国内外用于晃荡研究的实验装置。     

LNG/LPG液舱晃荡研究进展综述

对当前国内外运营的LNG/LPG运输船液舱的主要型式进行介绍。通过对液舱类型的分析,指出液舱晃荡为当前该领域的研究热点,并对近年来的液舱晃荡研究现状进行了阐述。最后提出了当前液舱晃荡研究中存在的问题和下一步的研究方向。     

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。     

液舱晃荡与FPSO波浪运动相互耦合时域分析

浮式生产储油轮（FPSO）长期在外海作业,其液舱晃荡现象始终存在。文中对船体外流场采用非线性势流理论,对液舱内流场采用线性势流理论,应用脉冲响应函数法,基于法国船级社（BV）的综合性水动力分析软件HOMER,计算了FPSO在考虑液舱晃荡作用下的时域运动响应,并对晃荡压强进行对比分析。结果表明：液舱晃荡对FPSO运动具有一定的影响,且该影响在迎浪船舷的运动上更为明显,同时迎浪船舷液舱晃荡产生的压强也更大。     

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。     

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。     

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。     

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.     

大型LNG船液舱晃荡结构动响应研究

在船舶尺度和营运状态与传统条件发生很大变化的情况下,大型液化天然气(LNG)船液舱晃荡研究显得尤为重要.本文分析了NO96型LNG船液舱围护结构的特点,采用显示积分方法研究不同晃荡压力峰值和持续时间的晃荡冲击载荷作用下液舱围护系统结构动响应,得到不同工况下结构的动态失效特性.最后回归基于比例极限和突变永久变形的临界压力载荷公式,并给出液舱围护系统结构设计准则和安全性评估方法建议.     

变舵速对船舶Z型运动影响理论与试验分析

为分析变舵速对船舶Z型运动性能的影响,提出一种理论仿真和模型试验相结合分析的方法.基于流体力学和船舶操纵性基本理论和方法,建立三自由船舶运动模型,并对模型进行仿真验证.通过构建自航模试验系统,进行变舵速下的自航模试验.理论与试验结果表明:不同舵速对K及T指数无明显影响,但对超越角影响较明显.     

漂浮式海洋能平台运动响应耦合预报研究

随着海洋工程向远海发展,漂浮式海洋能平台的运动响应预报问题成为研究的热点之一.本文以漂浮式海洋能平台为研究对象,首先基于间接时域法,建立浮式平台时域运动方程,然后基于悬链线理论和全矢量形式的三维集中质量法,建立系泊系统运动方程.在使用自行开发的计算程序对以上方程进行求解获得初值后,以系缆和浮式平台的受力和位移作为2个运动方程的交互输入与输出,建立浮式平台与系泊系统的全耦合计算方法.最后对简化的浮式海洋平台进行计算,分析载体平台的运动响应和系缆受力情况.本文可为解决相关工程问题提供参考和借鉴.     

FPSO与运输船旁靠时液舱晃荡与船舶运动耦合效应分析

浮式生产储存船(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)与运输船进行旁靠作业时,存在两船体的运动与液舱晃荡的耦合效应.文中基于法国船级社(BV)的三维线性频域水动力分析软件Hydro STAR,首先对一艘FPSO进行了波浪中的运动响应计算,通过与试验结果对比,验证了数值模型和计算方法的有效性.然后计算分析了液舱不同载液率及FPSO与运输船旁靠这两个因素对耦合运动响应的影响.结果表明:旁靠时两者间存在遮蔽效应,且FPSO和运输船的液舱载液率对彼此的运动响应均具有一定影响.