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。     

各种激励作用下液舱内液体晃荡的计算与分析

在建立描述流体运动的基本方程及其边界条件的基础上,基于VOF法得到液体晃荡运动的数值计算模型,讨论各种激励作用下刚性液舱内的液体晃荡,并计算分析作用于液舱的晃荡载荷.     

矩形液舱晃荡冲击载荷的试验机理研究

在不同外激振幅和频率下,采用大尺度模型试验方法对矩形液舱内液体晃荡产生的冲击压力进行了研究,主要包括在不同载液率下,液舱内的短期晃荡冲击载荷特性、冲击载荷的统计特性、时空分布规律及外激振幅和频率与晃荡冲击载荷的关系。试验结果表明,低载液率时自由液面附近冲击载荷大,高载液率时顶部冲击载荷大,30%时自由液面冲击载荷最大,低载液率时自由液面最大冲击力约为静水压力的3.5～4.5倍,外激频率越接近自由液面固有频率,冲击荷载的梯度受振幅的影响越大。文中研究可为计算晃荡载荷提供参考,并对液舱设计具有一定指导意义。     

三维矩形弹性液舱内液体晃荡数值模拟研究

为了解三维弹性液舱内液体晃荡情况,采用ADINA模拟不同激励频率下液舱内液体的晃荡,将所得的结果与解析解进行对比,得到不同载液率下弹性液舱内液体晃荡特点,得到液舱载液率、外界激励等参数变化对液体自由表面运动及晃荡荷载的影响.     

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。     

菱形独立液舱晃荡载荷分析及强度评估研究

液化气船菱形独立液舱的设计要求为无装载高度限制,因此菱形独立液舱的结构设计必须重视最为危险的部分装载的工况,并考虑各种载荷。当船体在波浪中运动的频率与液舱内液体振动的固有频率相近时,舱内液体会发生剧烈的运动,此时液体晃荡对液舱结构产生的冲击载荷,在结构设计初期必须予以足够的考虑。以超大型液化气船的一个菱形独立液舱为研究对象,在对船舶固有运动周期和舱内液体的晃荡频率进行评估的基础上,运用二维有限差分法对不同液位高度下菱形独立液舱内部的晃荡载荷进行了研究和计算,获得了舱内液体的运动状态,速度及压力分布,并以此为基础,对菱形独立液舱的结构强度进行了评估,确保了全冷式液化气船菱形独立液舱结构设计的可靠性。     

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。     

液舱晃荡载荷数值模拟中的流固耦合影响研究

为了研究大型化后LNG船液舱围护系统结构弹性对液舱内晃荡冲击压力的影响,采用基于显式时间积分方法的有限元/有限体积法程序模拟流体和结构的运动和变形及其相互作用。论述了数值模拟方法及其重要相关参数,以二维矩形刚性液舱模型为例模拟晃荡,得到的结果分别与计算流体程序和试验的结果比较,论证了该数值计算方案的可行性。进一步进行了三维刚性和三维弹性模型的液舱晃荡分析,比较了不同模型对液体运动和舱壁冲击压力的影响。文中研究结果对液舱结构晃荡冲击载荷评估具有参考价值。     

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。     

Investigation of Sloshing and its Effects on Global Responses of a Large LNG Carrier by Experimental Method

液舱中液体晃荡不仅对液舱结构产生内载荷作用,同时也通过与船体运动的耦合对LNG船的波浪载荷产生影响.文章通过某大型LNG船自航模型在波浪中的带液舱运动和波浪载荷试验,研究液舱中液体晃荡特性及其对总体波浪载荷的影响.同时对液舱有水(30%H)状态下的液舱中液体运动周期进行了试验研究,结果发现:在相同排水量和重量分布下,液舱中液体的存在对船体梁垂向振动频率和船体横摇周期都有影响;液舱中液体的运动周期不仅与液舱本身的形状和液面高度有关,还与船模航行时遭遇的浪向以及航速有关;虽然船舶浪向和航速是液舱内液体晃荡对总体波浪载荷产生影响的敏感参数,但总体影响不显著.     

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。     

独立B型LNG棱形液舱晃荡载荷数值分析

针对独立B型棱形液舱的结构特点,采用基于Hilber-Hughes-Taylor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,结合部分单元参数的概念处理棱形液舱边界,计算了计及弹性支撑效应的独立B型液舱晃荡。通过目标船计算,发现计及弹性支撑效应的液舱晃荡载荷会略大于不计及弹性支撑效应的晃荡载荷;通过不含内部构件弹性支撑液舱、含内部构件弹性支撑液舱和含内部构件非弹性支撑液舱晃荡的比较,分析了独立B型液舱晃荡载荷的特点以及内部构件对波面的限制作用。探讨的计算方法可为独立B型棱形液舱晃荡载荷的预报和分析提供一定的参考。     

多种激励耦合作用下的二维液舱晃荡(英文)

In this research,liquid sloshing behavior in a 2-D rectangular tank was simulated using ANSYS-FLUENT software subject to single or multiple-coupled external excitations(such as sway coupled with roll,and sway and roll coupled with heave).The volume of fluid(VOF) method was used to track the free surface of sloshing.External excitation was imposed through the motion of the tank by using the dynamic mesh technique.The study shows that if the tank is subjected to multiple coupled excitations and resonant excitation frequencies,liquid sloshing will become violent and sloshing loads,including impact on the top wall,will be intensified.     

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     

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.     

围阱内流体振荡载荷试验研究

很多水面舰船为吊放声呐、潜水系统等特殊设备,设置了围阱结构。舰船航行过程中,围阱随边的壁面将受到底部剪切层的冲击,且围阱内的流体在外部来流和波浪的激励下将发生剧烈晃荡,流体的晃荡运动会对围阱内壁面产生较大的砰击载荷。针对该问题,开展了模型试验,对围阱内剪切层冲击及流体晃荡的载荷进行研究,分析剪切层冲击及流体振荡载荷随流速、围阱开口形式等参数的变化规律,通过对比围阱内不同位置测点的测试结果,确定流体晃荡载荷较大的区域,指导围阱结构设计。