本文關鍵詞：艙室內(nèi)液體晃蕩的數(shù)值模擬及其與船體運動耦合作用的研究

  更多相關文章： 液體晃蕩 船體運動 數(shù)值模擬 耦合作用

【摘要】：近年來，以液化天然氣船（LNGC）為代表的液貨船成為重要的海上運輸裝備。該類液貨船在海上航行時，受海浪作用會產(chǎn)生船體搖蕩運動，由于具有大體積的液艙，因此會引起液艙晃蕩現(xiàn)象。在惡烈海況下，大幅船舶搖蕩運動所引發(fā)的液體劇烈晃蕩，會對液艙結構產(chǎn)生砰擊，造成局部結構損壞，甚至還會惡化耐波性能嚴重影響運營作業(yè)安全。因此，開展液艙晃蕩及其與船體的耦合運動研究就具有實際工程應用價值。 據(jù)此，本論文著重研究四個方面的問題：液艙晃蕩的液面大變形現(xiàn)象模擬及其砰擊壓強計算；帶防晃結構液艙的晃蕩現(xiàn)象模擬，以及防晃結構效能對比分析；基于PIV技術的液艙晃蕩流場測量及其模擬分析；液艙晃蕩與船體的耦合運動模擬分析。 針對上述問題，本論文所開展的主要工作具體如下： 一、三維液艙晃蕩運動控制方程及其數(shù)值計算方法 考慮到不同的晃蕩激勵形式，建立了三維液艙晃蕩運動的控制方程，基于直角有限差分網(wǎng)格，對控制方程進行了數(shù)值離散，并采用超松弛高斯-賽德爾迭代法進行了速度和壓強耦合求解。 二、三維液艙晃蕩的PLIC-VOF方法數(shù)值模擬 基于直角有限差分網(wǎng)格，，根據(jù)方向分裂算法以及Lagrange對流計算法求解流體體積分數(shù)控制方程，并結合控制方程的數(shù)值解法，發(fā)展了自由表面重構的PLIC-VOF法，并應用于模擬三維液艙的劇烈晃蕩問題。 三、液艙晃蕩的CLSVOF方法數(shù)值模擬 基于PLIC-VOF方法，考慮及Level-set方法隱式跟蹤自由表面的性能，引入Level-set函數(shù)確定自由表面法向，結合PLIC-VOF良好的質(zhì)量守恒性能，實現(xiàn)了PLIC-VOF方法與Level-set方法耦合的CLSVOF數(shù)值方法，并應用于液艙劇烈晃蕩模擬等問題。 四、三維通度系數(shù)法結合PLIC-VOF法模擬帶防晃結構的液艙晃蕩問題 引入三維通度系數(shù)法，并修改了流動的控制方程，結合直角網(wǎng)格的PLIC-VOF方法，實現(xiàn)了三維帶不同型式防晃結構的液艙晃蕩數(shù)值模擬，并通過局部液面和壓強時歷對比探討了防晃效果。 五、基于PIV技術的液艙晃蕩流場精細測量與模擬 合理設計液艙及其平面運動機構，由伺服系統(tǒng)控制運動機構在直線方向的速度時歷，考慮液艙的不同裝載水平，設定共振頻率下的橫蕩運動激勵，應用PIV技術進行液艙晃蕩流場的精細測量以及波形觀察分析。應用PLIC-VOF方法，進行了液艙晃蕩流場的數(shù)值模擬，以及PIV試驗結果對比分析。 六、液艙晃蕩的WC-MPS方法數(shù)值模擬 基于流體弱可壓縮假定，提出了基于Tait狀態(tài)方程的弱可壓縮移動粒子半隱式法（WC-MPS）。該方法通過直接計算流體狀態(tài)方程來快速獲取流場壓強，而沒有求解計算耗時的壓強Poisson方程，并應用該方法模擬了劇烈晃蕩的自由表面大變形現(xiàn)象。 七、波浪中液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合作用數(shù)值模擬 考慮到液艙晃蕩與船體運動的耦合作用，建立了液貨船的耦合運動方程，結合內(nèi)流場粘性流體PLIC-VOF方法，確定液艙晃蕩作用力以及力矩，由外流場二維切片方法確定波浪中船體頻域水動力系數(shù)及波浪載荷，采用Newmark-β法進行耦合運動方程的時域求解，實現(xiàn)波浪中船體運動的數(shù)值模擬。 本論文研究的創(chuàng)新性可以總結為以下三個方面： 一、三維通度系數(shù)法結合PLIC-VOF方法模擬帶防晃結構液艙的晃蕩問題 基于三維通度系數(shù)法表達流場中的固體相，并修改流動的控制方程，與三維PLIC-VOF方法相結合，實現(xiàn)了帶防晃結構的三維液艙晃蕩模擬。 二、直角網(wǎng)格CLSVOF數(shù)值方法模擬液艙劇烈晃蕩問題 基于PLIC-VOF方法的良好質(zhì)量守恒性能，考慮及Level-set方法隱式跟蹤自由表面的性能，針對每一時間步的Level-set函數(shù)重新初始化，由PLIC-VOF重構自由表面，通過確定鄰近網(wǎng)格到自由表面網(wǎng)格的最近距離，進行Level-set函數(shù)的重新初始化，實現(xiàn)了耦合的CLSVOF數(shù)值方法，并應用于液艙劇烈晃蕩模擬。 三、基于弱可壓縮假定的WC-MPS方法模擬液艙劇烈晃蕩問題 鑒于傳統(tǒng)不可壓縮移動粒子半隱式法（Fully Incompressible-MPS）通過求解Poisson方程獲取壓強，計算低效而耗時，因此基于流體弱可壓縮假定，選用流體的Tait狀態(tài)方程直接而快速求解流場壓強，建立了弱可壓縮移動粒子半隱式法（WeaklyCompressible-MPS），并應用于模擬劇烈晃蕩問題。
【關鍵詞】：液體晃蕩 船體運動 數(shù)值模擬 耦合作用
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U674.133.3;U661
【目錄】：

• 附件5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-32
• 1.1 研究背景和意義15
• 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀綜述15-16
• 1.3 液艙晃蕩的研究進展16-25
• 1.3.1 勢流方法16-17
• 1.3.2 粘流數(shù)值方法17-23
• 1.3.3 晃蕩實驗研究23-25
• 1.4 液體晃蕩與船舶運動的耦合作用研究25-28
• 1.4.1 內(nèi)外流場勢流方法25-26
• 1.4.2 外流場勢流加內(nèi)流場粘流 CFD 的混合方法26-27
• 1.4.3 液體晃蕩運動與船舶運動的耦合作用實驗研究27-28
• 1.5 本文研究內(nèi)容和創(chuàng)新點28-32
• 1.5.1 本文研究目的28
• 1.5.2 本文研究內(nèi)容28-29
• 1.5.3 本文創(chuàng)新點29-30
• 1.5.4 本文研究技術路線30-32
• 第二章 液艙晃蕩的 PLIC-VOF 方法模擬32-52
• 2.1 液體晃蕩的控制方程32-33
• 2.2 邊界條件33-34
• 2.3 數(shù)值計算模型34-39
• 2.3.1 計算網(wǎng)格34-35
• 2.3.2 控制方程的數(shù)值解法35-37
• 2.3.3 速度和壓強的迭代求解37-39
• 2.3.4 數(shù)值穩(wěn)定條件39
• 2.4 自由表面的 PLIC-VOF 重構39-44
• 2.5 PLIC-VOF 方法算例驗證44-45
• 2.5.1 潰壩模擬算例44-45
• 2.6 PLIC-VOF 方法晃蕩模擬算例45-51
• 2.6.1 水平簡諧橫蕩激振下的液體晃蕩45-47
• 2.6.2 簡諧橫搖激振下的液體晃蕩47-49
• 2.6.3 共振橫蕩激勵下大幅晃蕩自由表面模擬49
• 2.6.4 共振橫蕩激勵下大幅晃蕩壓強模擬49-51
• 2.7 本章小結51-52
• 第三章 液艙晃蕩的 CLSVOF 方法模擬52-71
• 3.1 LEVEL-SET 方法52-54
• 3.1.1 概述52
• 3.1.2 符號距離函數(shù)定義52-53
• 3.1.3 符號距離函數(shù)初始化53-54
• 3.2 控制方程和重新初始化方程的求解54-56
• 3.2.1 空間導數(shù)離散54-55
• 3.2.2 時間導數(shù)離散55-56
• 3.3 LEVEL-SET 方法求解流動問題的基本流程56
• 3.4 CLSVOF 方法56-60
• 3.5 CLSVOF 方法驗證算例60-65
• 3.5.1 Zalesak 旋轉圓盤問題60-61
• 3.5.2 不帶自由表面氣泡運動問題61-63
• 3.5.3 帶自由表面氣泡運動問題63-64
• 3.5.4 潰壩問題64-65
• 3.6 CLSVOF 方法模擬晃蕩算例65-70
• 3.6.1 低裝載水平橫蕩共振晃蕩液面模擬65-66
• 3.6.2 橫蕩共振晃蕩壓強計算66-67
• 3.6.3 橫搖共振晃蕩壓強計算67-70
• 3.7 本章小結70-71
• 第四章 帶防晃結構液艙晃蕩的通度系數(shù)法模擬71-87
• 4.1 通度基本概念71-72
• 4.2 流動控制方程修正72
• 4.3 二維 PLIC-VOF 結合通度系數(shù)法模擬潰壩算例72-74
• 4.4 二維 PLIC-VOF 結合運動通度系數(shù)法模擬共振晃蕩算例74-75
• 4.5 三維 PLIC-VOF 結合通度系數(shù)法模擬液艙晃蕩75-86
• 4.6 本章小結86-87
• 第五章 液艙晃蕩流場的 PIV 測量與數(shù)值模擬87-101
• 5.1 PIV 系統(tǒng)基本構成87-89
• 5.1.1 激光器88
• 5.1.2 示蹤粒子88
• 5.1.3 高速 CCD 相機88-89
• 5.1.4 同步器89
• 5.1.5 圖像處理設備89
• 5.2 液艙晃蕩試驗模型及工況89-91
• 5.2.1 液艙模型90
• 5.2.2 平面運動機構90
• 5.2.3 試驗模型及工況90-91
• 5.3 液艙晃蕩數(shù)值模擬結果與試驗結果對比91-100
• 5.4 本章小結100-101
• 第六章 液艙晃蕩的 WC-MPS 方法模擬101-118
• 6.1 MPS 方法概述101
• 6.2 MPS 計算模型101-105
• 6.2.1 流動控制方程101-102
• 6.2.2 核函數(shù)選取102
• 6.2.3 粒子密度計算102
• 6.2.4 梯度算子模型102-103
• 6.2.5 Laplacian 算子模型103
• 6.2.6 控制方程的數(shù)值解法103-105
• 6.2.7 自由表面判別105
• 6.2.8 固體邊界條件105
• 6.3 二維 MPS 方法驗證算例105-111
• 6.3.1 潰壩模擬 1105-108
• 6.3.2 潰壩模擬 2108-109
• 6.3.3 水下楔塊下滑興波模擬109-110
• 6.3.4 Scott Russell 孤立波模擬110-111
• 6.4 三維 MPS 方法驗證算例111-114
• 6.4.1 潰壩模擬 1112-113
• 6.4.2 潰壩模擬 2113-114
• 6.5 MPS 方法模擬晃蕩算例114-116
• 6.5.1 低裝載液艙晃蕩液面模擬對比114-115
• 6.5.2 低裝載液艙晃蕩壓強模擬對比115-116
• 6.6 本章小結116-118
• 第七章 液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合運動研究118-139
• 7.1 切片理論118-119
• 7.1.1 坐標系118-119
• 7.1.2 船舶遭遇頻率與波面方程119
• 7.2 船舶在波浪中的運動方程119-122
• 7.2.1 船體縱向切片上的流體載荷120-122
• 7.2.2 船舶運動方程122
• 7.2.3 船舶橫搖阻尼的確定122
• 7.3 液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合運動方程122-124
• 7.3.1 船體縱向切片上的波浪載荷123
• 7.3.2 船體液艙晃蕩載荷123-124
• 7.3.3 液艙晃蕩與船體搖蕩耦合運動方程124
• 7.4 液艙晃蕩與船體搖蕩耦合運動方程求解方法124-126
• 7.4.1 耦合方程時域求解124-125
• 7.4.2 耦合方程求解流程125-126
• 7.5 液艙晃蕩與船體搖蕩耦合運動模型試驗簡介126-129
• 7.5.1 試驗模型126-128
• 7.5.2 規(guī)則波中船舶運動響應試驗128-129
• 7.6 耦合運動模型試驗結果以及數(shù)值模擬對比129-138
• 7.6.1 壓載船模試驗結果與切片理論計算結果對比129-131
• 7.6.2 耦合船模試驗結果與數(shù)值模擬結果對比131-133
• 7.6.3 多液艙晃蕩影響數(shù)值模擬結果133-138
• 7.7 本章小結138-139
• 第八章 全文總結139-142
• 8.1 主要結論139-141
• 8.2 研究展望141-142
• 參考文獻142-156
• 致謝156-157
• 攻讀博士學位期間已發(fā)表或錄用的論文157

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 方智勇;端木玉;朱仁慶;;基于Level-set法的液艙液體晃蕩數(shù)值模擬[J];船舶力學;2007年01期

2 管延敏;葉恒奎;陳慶任;;基于ALE有限元法二維液體晃蕩的數(shù)值模擬[J];船舶力學;2010年10期

3 徐國徽;祁恩榮;徐春;顧學康;;大型LNG船液艙晃蕩載荷及響應模型試驗研究(英文)[J];船舶力學;2011年12期

4 趙文華;胡志強;楊建民;魏躍峰;;頻域范圍內(nèi)液艙晃蕩對FLNG運動影響的研究(英文)[J];船舶力學;2011年03期

5 朱仁慶,顏開,吳有生;盛液容器內(nèi)液體二維晃蕩的數(shù)值模擬[J];華東船舶工業(yè)學院學報;1998年02期

6 朱仁慶,吳有生,彭興寧,沈進威;船舶液體晃蕩動力學的研究方法及進展[J];華東船舶工業(yè)學院學報;1999年01期

7 胡長洪;末吉誠;;潰壩問題的數(shù)值仿真和實驗(英文)[J];Journal of Marine Science and Application;2010年02期

8 王德禹,李龍淵,施其;三自由度晃蕩模擬裝置及其模態(tài)分析[J];海洋工程;2000年04期

9 方智勇;朱仁慶;楊松林;;基于Level-set法和通度概念液體晃蕩特性研究[J];海洋工程;2007年02期

10 管延敏;葉恒奎;陳慶任;馮大奎;;三維帶擋板箱體液體晃蕩數(shù)值模擬[J];華中科技大學學報(自然科學版);2010年04期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 蔡忠華;液貨船液艙晃蕩問題研究[D];上海交通大學;2012年

本文編號：835672