本文關(guān)鍵詞：液艙晃蕩與船舶時(shí)域運(yùn)動(dòng)全耦合的勢(shì)粘流組合數(shù)值模擬

  更多相關(guān)文章： 非線性液艙晃蕩 OpenFOAM 有限體積法 邊界元法 時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng) 有航速船舶運(yùn)動(dòng) 模型試驗(yàn)

【摘要】：隨著人們對(duì)海洋中各類(lèi)能源開(kāi)發(fā)需求的日益增大，在全世界范圍內(nèi)，液化天然氣船（LNG）以及液化石油氣船（LPG）的開(kāi)發(fā)技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。此類(lèi)載液船舶在海洋中航行時(shí)，在風(fēng)浪作用下會(huì)產(chǎn)生的多自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其所裝載的具有自由液面的液艙，在船舶的多自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)下，會(huì)產(chǎn)生程度不等的液艙晃蕩現(xiàn)象。若是海況劇烈，則相應(yīng)程度的液艙晃蕩現(xiàn)象會(huì)對(duì)艙壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的砰擊作用，同時(shí)，晃蕩現(xiàn)象產(chǎn)生的水靜壓力以及水動(dòng)力的聯(lián)合作用下對(duì)船舶多自由度運(yùn)動(dòng)均有不同程度的影響。此類(lèi)現(xiàn)象產(chǎn)生的局部結(jié)構(gòu)損壞以及船舶耐波性失衡現(xiàn)象極為突出，因此，液艙晃蕩及其所產(chǎn)生的各類(lèi)效應(yīng)在工程領(lǐng)域中均不可等閑視之。本文的研究?jī)?nèi)容側(cè)重于載液船舶在波浪中時(shí)域運(yùn)動(dòng)的不同類(lèi)型的數(shù)值計(jì)算方法的研究及其應(yīng)用，無(wú)論是對(duì)理論研究及至實(shí)際的工程方面均有較高的應(yīng)用價(jià)值。 對(duì)于純時(shí)域勢(shì)流組合載液船舶耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算開(kāi)發(fā)，針對(duì)載液有航速船舶在波浪上時(shí)域運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，本文基于有航速三維時(shí)域理論，非線性三維時(shí)域理論，脈沖響應(yīng)理論，邊界元方法，開(kāi)發(fā)出了基于勢(shì)流理論全時(shí)域耦合非線性液艙晃蕩現(xiàn)象的有航速船舶在波浪上運(yùn)動(dòng)計(jì)算程序。本文對(duì)在波浪中運(yùn)動(dòng)的S175集裝箱船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了全面與系列的數(shù)值計(jì)算工作。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了無(wú)航速載液船舶在波浪上時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算程序的正確性與可靠性。對(duì)于加載液艙的S175船舶，分別就不同航速下的來(lái)波工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算工作。對(duì)于有航速船舶耦合非線性液艙晃蕩在波浪中的時(shí)域運(yùn)動(dòng)的合理的理論分析，證明了數(shù)值計(jì)算程序的有效性。并且通過(guò)對(duì)于一艘加載液艙的15000GT集裝箱船的橫搖運(yùn)動(dòng)的數(shù)值研究分析工作，為進(jìn)一步的工程實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。 對(duì)于勢(shì)-粘流組合載液船舶耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算開(kāi)發(fā)，本文基于船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論、三維頻域格林函數(shù)方法，脈沖響應(yīng)理論，粘性流理論，有限體積方法，邊界元方法，對(duì)于零航速與較低航速的船舶與浮式結(jié)構(gòu)物，基于開(kāi)源CFD代碼OpenFOAM，開(kāi)發(fā)出了高效的求解耦合非線性液艙晃蕩現(xiàn)象的無(wú)航速船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在波浪作用下時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算代碼。通過(guò)對(duì)不同裝載深度與來(lái)波條件，對(duì)裝載液艙的LNG船模進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算研究，其結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)航速耦合運(yùn)動(dòng)計(jì)算程序的正確性與可靠性。此代碼由于針對(duì)于工程界經(jīng)常面對(duì)的載液無(wú)航速浮式結(jié)構(gòu)物的時(shí)域運(yùn)動(dòng)，且實(shí)現(xiàn)手段同樣偏重于開(kāi)源代碼，實(shí)現(xiàn)困難度較小，應(yīng)用范圍面很廣，因此具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。 本文提出的各種載液船舶在波浪上運(yùn)動(dòng)的時(shí)域計(jì)算方法，無(wú)論是否計(jì)及航速，均能夠完整的考慮波浪，，船體，非線性液艙晃蕩現(xiàn)象之間的耦合作用，能夠清晰地顯現(xiàn)液艙晃蕩現(xiàn)象對(duì)船體全局運(yùn)動(dòng)特別是橫搖運(yùn)動(dòng)的影響，具有較高的計(jì)算效率的同時(shí)反映出了液艙晃蕩和船舶運(yùn)動(dòng)的耦合效應(yīng)，通過(guò)實(shí)際計(jì)算驗(yàn)證了其具有良好的工程應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：非線性液艙晃蕩 OpenFOAM 有限體積法 邊界元法 時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng) 有航速船舶運(yùn)動(dòng) 模型試驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：U661
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 緒論13-33
• 1.1 本文研究工作的意義與目的13-15
• 1.2 船舶與浮式結(jié)構(gòu)物的耐波性研究方法綜述15-24
• 1.2.1 二維頻域時(shí)域理論16-18
• 1.2.2 三維頻域理論18-20
• 1.2.3 三維時(shí)域理論20-24
• 1.3 液艙晃蕩問(wèn)題的研究手段與計(jì)算方法24-28
• 1.4 載液船舶耦合運(yùn)動(dòng)的計(jì)算方法28-30
• 1.5 本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)30-33
• 第二章 非線性液艙晃蕩問(wèn)題的理論與數(shù)值計(jì)算33-68
• 引言33
• 2.1 求解三維液艙晃蕩的全非線性時(shí)域勢(shì)流理論33-40
• 2.1.1 液艙晃蕩問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型33-38
• 2.1.2 邊界離散的數(shù)學(xué)處理38-40
• 2.2 基于全非線性勢(shì)流理論的液艙晃蕩數(shù)值模擬40-44
• 2.3 基于有限體積法與OPENFOAM的N.S.方程的數(shù)值求解方法44-55
• 2.3.1 兩相流理論的控制方程44-47
• 2.3.2 控制方程的有限體積離散化47-51
• 2.3.3 處理壓力速度耦合的PISO算法51-53
• 2.3.4 液艙晃蕩問(wèn)題中動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的原理53-55
• 2.3.5 數(shù)值計(jì)算求解過(guò)程55
• 2.4 基于粘流理論的液艙晃蕩問(wèn)題數(shù)值計(jì)算55-67
• 2.4.1 縱搖工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果58-63
• 2.4.2 橫搖工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果63-67
• 2.5 本章小結(jié)67-68
• 第三章 無(wú)航速三維船舶與浮式結(jié)構(gòu)物在波浪上運(yùn)動(dòng)的間接時(shí)域理論68-90
• 引言68
• 3.1 船舶與浮式結(jié)構(gòu)物在波浪上運(yùn)動(dòng)的勢(shì)流理論基礎(chǔ)68-77
• 3.1.1 速度勢(shì)的分解68-70
• 3.1.2 速度勢(shì)的控制方程與定解問(wèn)題70-73
• 3.1.3 無(wú)航速浮體的輻射及繞射問(wèn)題73-76
• 3.1.4 格林函數(shù)方法76-77
• 3.2 三維間接時(shí)域理論77-81
• 3.2.1 定解條件與邊界離散77-78
• 3.2.2 輻射勢(shì)的數(shù)值計(jì)算78-79
• 3.2.3 頻域水動(dòng)力系數(shù)及時(shí)延函數(shù)79-80
• 3.2.4 繞射勢(shì)的數(shù)值計(jì)算80
• 3.2.5 外域波浪力80-81
• 3.3 船舶與浮式結(jié)構(gòu)物在波浪上運(yùn)動(dòng)的剛體運(yùn)動(dòng)方程81-83
• 3.4 船舶與浮式結(jié)構(gòu)物在波浪上運(yùn)動(dòng)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程83-84
• 3.5 間接時(shí)域理論的計(jì)算及適用范圍探討84-89
• 3.6 本章小結(jié)89-90
• 第四章 船舶運(yùn)動(dòng)的三維直接時(shí)域理論90-103
• 引言90
• 4.1 時(shí)域有航速船舶運(yùn)動(dòng)理論的初邊值問(wèn)題90-92
• 4.2 船舶輻射勢(shì)的計(jì)算方法92-94
• 4.3 水動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算94-96
• 4.4 基于脈沖響應(yīng)的船舶繞射勢(shì)的計(jì)算方法96-97
• 4.5 波浪力的計(jì)算與船舶時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程97-99
• 4.6 船舶時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算與驗(yàn)證99-102
• 4.7 本章小結(jié)102-103
• 第五章 載液船舶在波浪上耦合運(yùn)動(dòng)的全勢(shì)流時(shí)域數(shù)值模擬103-123
• 引言103
• 5.1 有航速載液船舶在波浪上時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程103-106
• 5.2 有航速載液船舶在波浪上時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算106-114
• 5.2.1 船型參數(shù)106-107
• 5.2.2 無(wú)航速載液船舶時(shí)域運(yùn)動(dòng)的計(jì)算與驗(yàn)證107-109
• 5.2.3 有航速載液船舶時(shí)域運(yùn)動(dòng)的計(jì)算與探討109-114
• 5.3 液艙晃蕩與時(shí)域船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的耦合效應(yīng)分析114-122
• 5.3.1 耦合液艙晃蕩的橫搖運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)114-116
• 5.3.2 載液15000GT集裝箱船時(shí)域數(shù)值計(jì)算116-119
• 5.3.3 液艙晃蕩對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)影響計(jì)算與分析119-122
• 5.4 本章小結(jié)122-123
• 第六章 粘勢(shì)流組合的載液船舶與浮式結(jié)構(gòu)物的時(shí)域運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬123-148
• 引言123-124
• 6.1 船舶與浮式結(jié)構(gòu)物耦合液艙晃蕩的時(shí)域運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法124-125
• 6.2 船舶耦合液艙晃蕩時(shí)域運(yùn)動(dòng)的數(shù)值計(jì)算125-138
• 6.2.1 LNG船模實(shí)驗(yàn)相關(guān)物理參數(shù)125-127
• 6.2.2 船舶非線性橫搖阻尼的預(yù)估方法127-128
• 6.2.3 不加載液艙的LNG船水動(dòng)力計(jì)算128-132
• 6.2.4 加載液艙的LNG船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算132-138
• 6.3 載液 LNG 船在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模擬138-142
• 6.4 加載多個(gè)液艙的 LNG 船在波浪中的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)142-146
• 6.5 本章小結(jié)146-148
• 第七章 耦合液艙晃蕩的LNG船耐波性模型試驗(yàn)148-164
• 引言148
• 7.1 LNG 模型相關(guān)參數(shù)148-151
• 7.2 相似法則與物理量的換算151-152
• 7.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器與信號(hào)采集分析系統(tǒng)152-153
• 7.4 耐波性試驗(yàn)工況153-155
• 7.5 試驗(yàn)結(jié)果155-163
• 7.5.1 LNG船模自由衰減試驗(yàn)155-156
• 7.5.2 LNG船模規(guī)則波試驗(yàn)156-158
• 7.5.3 LNG船模不規(guī)則波耐波性實(shí)驗(yàn)158-163
• 7.6 總結(jié)與分析163-164
• 第八章 總結(jié)與展望164-167
• 8.1 全文總結(jié)164-165
• 8.2 研究展望165-167
• 參考文獻(xiàn)167-175
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況175-176
• 致謝176

【參考文獻(xiàn)】

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1 朱海榮;船舶與海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)的三維時(shí)域方法及應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2009年

本文編號(hào)：829081