本文關(guān)鍵詞：易流態(tài)貨物艙內(nèi)晃蕩對(duì)艙段運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)性影響的數(shù)值研究

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【摘要】：易流態(tài)貨物是指由一定比例細(xì)微顆粒和水分組成的一類散裝顆粒狀貨物。該類貨物海上運(yùn)輸過程中,若其含水量超過一定比例并在機(jī)械振動(dòng)、撞擊或船舶運(yùn)動(dòng)等外力影響下可能發(fā)生流態(tài)化從而形成類似流體一樣的狀態(tài)。該類貨物的易流態(tài)屬性已成為該類貨物運(yùn)輸船發(fā)生傾覆事故的重大隱患,與本文相關(guān)的研究尚未深入開展。因此,為深入探索易流態(tài)貨物流態(tài)化發(fā)生后導(dǎo)致該類貨物運(yùn)輸船傾覆發(fā)生的機(jī)理,本文依據(jù)粘性流體動(dòng)力學(xué)理論、三維線性頻域勢(shì)流理論、脈沖響應(yīng)函數(shù)理論以及簡化的物面非線性方法等對(duì)流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩及其與艙段間的耦合運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)性問題開展了一系列的研究工作。流態(tài)化貨物對(duì)艙段運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)性的影響可分為流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)晃蕩問題、艙段在波浪中時(shí)域運(yùn)動(dòng)的求解以及二者的大幅值耦合運(yùn)動(dòng)問題。首先,為考察流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)的晃蕩現(xiàn)象,基于粘性流體動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合非牛頓流體本構(gòu)方程對(duì)流態(tài)化貨物的艙內(nèi)晃蕩問題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和驗(yàn)證。其中數(shù)值計(jì)算的貨艙模型取自載重噸57,000散貨船的典型艙段,縮尺比為1：66；流態(tài)化貨物選用3種不同含水量的鎳礦砂,其流態(tài)化后的流變屬性采用非牛頓流體Herschel-Bulkley模型和Bingham模型來描述。不同含水量及外部激勵(lì)條件下,流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩力矩基本呈周期性變化；不同含水量下流態(tài)化貨物自由面的變形情況表明,隨著含水量的減小,流態(tài)化貨物相對(duì)于貨艙運(yùn)動(dòng)的滯后作用變得顯著：考慮貨艙內(nèi)裝設(shè)縱隔板時(shí),在隔板高度比為0.4-1.0時(shí),晃蕩力矩幅值及自由面運(yùn)動(dòng)減小速度最大,特別是在較大外部激勵(lì)幅值下,隔板的阻礙作用更為顯著；流態(tài)化貨物粘度值也呈周期性變化,但隨著隔板高度的增加,其粘度峰值變大；相同外部激勵(lì)幅值下,當(dāng)外部激勵(lì)頻率在4.8 rad1/s附近時(shí),晃蕩力矩幅值達(dá)到最大從而出現(xiàn)共振現(xiàn)象；相同外部激勵(lì)頻率下,晃蕩力矩幅值隨外部激勵(lì)幅值的增加基本呈線性增加,最后受到艙內(nèi)裝載流態(tài)化貨物數(shù)量的限制而趨于扁平從而偏離線性行為；單一改變貨艙寬度,隨著深寬比的增加晃蕩力矩幅值逐步減小,當(dāng)深寬比增加到一定值時(shí)其對(duì)晃蕩力矩幅值的影響變?nèi)�。其�?基于三維線性頻域勢(shì)流理論并結(jié)合脈沖響應(yīng)函數(shù)理論建立了浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型。為進(jìn)一步考察浮體的大幅值橫搖運(yùn)動(dòng),預(yù)先求解浮體在不同橫傾角下的輻射、繞射問題及靜水復(fù)原力系數(shù),通過數(shù)據(jù)擬合技術(shù)在時(shí)域計(jì)算時(shí)對(duì)浮體水動(dòng)力系數(shù)的實(shí)時(shí)獲取建立了浮體簡化物面非線性時(shí)域仿真模型從而為解決流態(tài)化貨物和艙段間的大幅值耦合運(yùn)動(dòng)打下基礎(chǔ)。最后,設(shè)計(jì)了載有流態(tài)化貨物的艙段模型并基于流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩計(jì)算模型和間接時(shí)域法建立了流態(tài)化貨物和艙段間的耦合運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型。該模型主要考慮了流態(tài)化貨物晃蕩力矩對(duì)二者耦合運(yùn)動(dòng)的影響,結(jié)果表明只考慮晃蕩力矩情況時(shí),其在大部分波浪激勵(lì)頻率下對(duì)二者的橫搖耦合運(yùn)動(dòng)是起到減搖的作用。在對(duì)船舶穩(wěn)性研究方法分析基礎(chǔ)上為全面分析流態(tài)化貨物對(duì)艙段橫搖運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)性的影響,建立了流態(tài)化貨物和艙段間耦合運(yùn)動(dòng)的簡化物面非線性時(shí)域仿真模型。在求解艙段大幅值橫搖耦合運(yùn)動(dòng)之前,進(jìn)行了流態(tài)化貨物艙內(nèi)橫傾數(shù)值試驗(yàn)。流態(tài)化貨物艙內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)艙段靜水復(fù)原力矩的影響通過記錄流態(tài)化貨物重心的橫向偏移量進(jìn)行考察,一旦流態(tài)化貨物發(fā)生移動(dòng),艙段的復(fù)原力矩即被削弱。同時(shí)考慮流態(tài)化貨物晃蕩力矩以及其對(duì)艙段復(fù)原力矩的削弱作用,相同波幅下,在共振區(qū)附近橫搖耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線出現(xiàn)較為明顯的左右不對(duì)稱現(xiàn)象；繼續(xù)增大波浪幅值,在共振頻率下艙段的橫搖耦合運(yùn)動(dòng)繼續(xù)出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象并且隨時(shí)間變化而加劇,最終使得艙段復(fù)原力矩達(dá)到最小隨即傾覆得以發(fā)生。以上研究結(jié)果表明,由于流態(tài)化貨物艙內(nèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)艙段復(fù)原力矩的削弱作用使得艙段在共振頻率下進(jìn)行大幅值橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)不能回復(fù)原位而產(chǎn)生橫搖不對(duì)稱,而艙內(nèi)流態(tài)化貨物的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)會(huì)繼續(xù)減小艙段的復(fù)原力矩從而加劇這種橫搖運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱現(xiàn)象,最終導(dǎo)致艙段傾覆發(fā)生。
【關(guān)鍵詞】：易流態(tài)貨物 傾覆機(jī)理 晃蕩 穩(wěn)性 時(shí)域仿真
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U661
【目錄】：

• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第1章 緒論14-34
• 1.1 研究背景及意義14-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-23
• 1.3 液艙內(nèi)流體晃蕩問題研究現(xiàn)狀23-28
• 1.4 液艙內(nèi)流體晃蕩和船舶運(yùn)動(dòng)耦合問題研究現(xiàn)狀28-31
• 1.5 本文主要工作31-34
• 第2章 粘性流體艙內(nèi)晃蕩問題的理論及數(shù)值計(jì)算34-58
• 2.1 粘性流體艙內(nèi)晃蕩運(yùn)動(dòng)控制方程34-36
• 2.2 控制方程的數(shù)值離散方法36-39
• 2.2.1 空間離散格式37-39
• 2.2.2 時(shí)間離散格式39
• 2.3 不可壓縮粘性流動(dòng)的壓力修正技術(shù)39-46
• 2.3.1 壓力修正理論40-41
• 2.3.2 SIMPLE/SIMPLEC算法41-43
• 2.3.3 PISO算法43-46
• 2.4 粘性流體晃蕩問題定解條件46-47
• 2.5 基于兩相流模型的自由面捕捉方法47-48
• 2.6 UDF理論及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)48-51
• 2.6.1 UDF理論48-50
• 2.6.2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)50-51
• 2.7 二維及三維水艙晃蕩問題的數(shù)值求解51-57
• 2.7.1 橫搖運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的二維水艙晃蕩51-54
• 2.7.2 橫搖運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的三維水艙晃蕩54-57
• 2.8 本章小結(jié)57-58
• 第3章 流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩問題的數(shù)值計(jì)算與分析58-89
• 3.1 流態(tài)化貨物應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程58-61
• 3.2 流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)的晃蕩問題61-68
• 3.2.1 貨艙模型及參數(shù)設(shè)置61-65
• 3.2.2 流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩對(duì)貨艙整體作用力矩的計(jì)算及驗(yàn)證65-68
• 3.3 具有不同含水量的流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)晃蕩問題68-73
• 3.3.1 不同含水量的流態(tài)化貨物對(duì)貨艙整體作用力矩的計(jì)算對(duì)比68-71
• 3.3.2 不同含水量的流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩自由面運(yùn)動(dòng)對(duì)比71-73
• 3.4 裝設(shè)縱隔板的流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)晃蕩問題73-84
• 3.4.1 裝設(shè)縱隔板的流態(tài)化貨物對(duì)貨艙整體作用力矩的計(jì)算對(duì)比73-77
• 3.4.2 裝設(shè)縱隔板的流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩自由面運(yùn)動(dòng)對(duì)比77-84
• 3.5 流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)晃蕩問題參數(shù)研究84-88
• 3.5.1 外部激勵(lì)頻率對(duì)流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩整體作用力矩的影響研究84-86
• 3.5.2 外部激勵(lì)幅值對(duì)流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩整體作用力矩的影響研究86-87
• 3.5.3 深寬比對(duì)流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩整體作用力矩的影響研究87-88
• 3.6 本章小結(jié)88-89
• 第4章 船舶或浮式結(jié)構(gòu)物穩(wěn)性研究時(shí)域仿真模型89-109
• 4.1 船舶或浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)方程及流場速度勢(shì)89-92
• 4.1.1 坐標(biāo)系的選取及速度勢(shì)的分解89-90
• 4.1.2 船舶或浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中運(yùn)動(dòng)方程的建立90-92
• 4.2 速度勢(shì)的定解條件及求解92-99
• 4.2.1 浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)問題有關(guān)的邊界條件92-95
• 4.2.2 邊界積分方程的建立95-98
• 4.2.3 邊界積分方程的離散及求解98-99
• 4.3 船舶或浮式結(jié)構(gòu)物所受流體作用力99-102
• 4.3.1 復(fù)原力99-100
• 4.3.2 輻射力100
• 4.3.3 波浪擾動(dòng)力100-101
• 4.3.4 橫搖阻尼力101-102
• 4.4 間接時(shí)域方法102-104
• 4.5 簡化的物面非線性方法104-108
• 4.6 本章小結(jié)108-109
• 第5章 基于間接時(shí)域法的流態(tài)化貨物和艙段間耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值研究109-134
• 5.1 流體貨物和浮體間耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型的建立109-111
• 5.2 規(guī)則波中矩形水箱橫向耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值研究111-119
• 5.2.1 浮箱尺寸及計(jì)算參數(shù)111-113
• 5.2.2 矩形浮箱在規(guī)則波作用下橫蕩水動(dòng)力系數(shù)及幅值響應(yīng)曲線113-116
• 5.2.3 矩形浮箱在規(guī)則波中的橫向耦合運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果116-119
• 5.3 規(guī)則波激勵(lì)下流態(tài)化貨物和艙段間橫搖耦合運(yùn)動(dòng)研究119-133
• 5.3.1 艙段模型尺寸及計(jì)算參數(shù)119-120
• 5.3.2 艙段在規(guī)則波作用下橫搖水動(dòng)力系數(shù)及幅值響應(yīng)曲線120-124
• 5.3.3 流態(tài)化貨物對(duì)艙段橫搖耦合運(yùn)動(dòng)的影響分析124-133
• 5.4 本章小結(jié)133-134
• 第6章 裝載流態(tài)化貨物的艙段穩(wěn)性研究時(shí)域計(jì)算134-158
• 6.1 船舶或浮式結(jié)構(gòu)物穩(wěn)性問題研究134-143
• 6.1.1 船舶或浮式結(jié)構(gòu)物穩(wěn)性研究方法分析134-135
• 6.1.2 基于Melnikov函數(shù)的船舶穩(wěn)性問題研究135-143
• 6.2 流態(tài)化貨物和艙段間耦合運(yùn)動(dòng)簡化物面非線性時(shí)域仿真模型的建立143-145
• 6.3 流態(tài)化貨物在貨艙內(nèi)的橫傾數(shù)值試驗(yàn)145-150
• 6.4 裝載流態(tài)化貨物艙段的穩(wěn)性研究時(shí)域仿真計(jì)算150-157
• 6.4.1 規(guī)則波中流態(tài)化貨物對(duì)艙段橫搖運(yùn)動(dòng)的影響150-154
• 6.4.2 裝載流態(tài)化貨物艙段大幅值橫搖運(yùn)動(dòng)及傾覆過程計(jì)算154-157
• 6.5 本章小結(jié)157-158
• 第7章 總結(jié)與展望158-161
• 7.1 總結(jié)158-160
• 7.2 展望160-161
• 參考文獻(xiàn)161-170
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表論文170-171
• 致謝171-172
• 作者簡介172

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本文編號(hào)：626810