波浪中浮箱运动与三维液舱晃荡的耦合研究

发布时间：2017-10-27 23:21

  本文关键词：波浪中浮箱运动与三维液舱晃荡的耦合研究

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【摘要】：当船舶受到波浪作用时会一定幅值的振荡,如果船舶内装载液体,这种振荡运动引起的液舱内流体晃荡与外部波浪作用会形成耦合效应作用在船体上,该耦合效应可能会导致船舶振荡幅值的增大而引发危险情况,也可能对液舱产生较大的冲击导致结构的破坏。因此,对波浪作用下的船舶运动与液舱晃荡的耦合效应进行研究是十分必要的。 本文对于外部波浪作用采用边界元方法计算,因为边界元法计算效率较高。对于液舱内部流体晃荡采用三维镜像SPH数值模型进行模拟,因为SPH方法可以有效模拟波浪破碎。最后,通过脉冲响应函数方法解运动方程,实现了内外流场相互作用的耦合,并用浮箱模拟船舶成功建立了波浪作用下浮箱运动与液舱晃荡的耦合数值模型。 通过与其他数值结果和试验结果的对比,验证了本文的数学模型能有效模拟液体晃荡和波浪激振耦合作用下的三维浮箱运动响应。SPH方法可以直接模拟舱内流体大变形运动情况。相比空载情况,装液浮箱会在某一特定入射波频率产生一个运动响应幅值的峰值,这种峰值往往产生在容器内液体自振频率附近。这种运动幅值峰值的产生主要由液舱内液体晃荡产生的晃荡力与浮箱外部波浪作用的激振力的相位差导致。当入射波频接近但不超过晃荡液体的最小自振频率时,上述相位差则达到180°左右,液体晃荡起抑制方箱运动作用。当入射波频率超过晃荡液体的自振频率时,晃荡力与波浪激振力的相位差变小,因而两力相互累加造成浮箱运动幅值的增大。 进而对不同装液宽度的浮箱进行了研究,结果表明浮箱运动响应幅值的变化趋势不变,浮箱宽度的增加只是增强了晃荡力对浮箱运动响应的影响作用。当晃荡力与激振力相位差较大且晃荡力小于激振力时,较宽的容器内液体产生的晃荡抑制容器运动的作用更加明显。当晃荡力与激振力相互叠加时,较宽的容器更容易引起大振幅的运动。此外,对于不同外部水深的研究结果表明,在本文研究的高频波浪频率范围内,外部水深对浮箱运动幅值的影响不大。 最后对不同波高的规则波作用下的空箱和装液浮箱运动响应试验研究,本文发现固定频率下不同入射波高引起的浮箱运动响应具有一定的非线性特征,入射波高越大,其非线性效果越强。低频入射波高越大,浮箱运动响应幅值与波高的比值越小,高频入射波高越大,浮箱运动响应幅值与波高的比值越大。
【关键词】：液体晃荡 SPH 镜像边界 耦合 势流理论
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 工程背景和研究意义9
• 1.2 流体晃荡耦合问题的研究现状9-12
• 1.2.1 强迫运动容器内的流体晃荡问题9-11
• 1.2.2 波浪作用下船舶运动与液舱内流体晃荡的耦合作用问题11-12
• 1.3 本文工作12-13
• 2 液舱内SPH数值模型建立及验证13-33
• 2.1 基本思想13-14
• 2.2 光滑核函数14-17
• 2.3 控制方程17-19
• 2.3.1 动量方程17-18
• 2.3.2 连续方程18-19
• 2.3.3 状态方程19
• 2.3.4 粒子移动19
• 2.3.5 能量方程19
• 2.4 数值技术19-26
• 2.4.1 密度计算19-21
• 2.4.2 核函数计算21
• 2.4.3 边界处理21-23
• 2.4.4 链表搜索法23-24
• 2.4.5 时间步24-26
• 2.5 模型验证26-33
• 2.5.1 容器横荡的数值模型验证26-27
• 2.5.2 容器横摇的数值模型验证27-33
• 3 外场波浪作用的边界元数值模型33-43
• 3.1 控制方程与边界条件33-35
• 3.2 速度势的分解及其对应的物面条件35-37
• 3.3 边界积分方程的建立37-39
• 3.4 边界积分方程的离散39-40
• 3.5 物体在波浪作用下的运动响应40-43
• 4 浮箱运动与液舱晃荡的耦合数值分析43-61
• 4.1 耦合模型的建立43-48
• 4.2 耦合模型的验证48-54
• 4.3 不同液箱宽度的影响分析54-57
• 4.4 不同外部水深的影响分析57-61
• 5 浮箱运动与液舱晃荡的耦合试验研究61-67
• 5.1 试验布置及模型参数61-63
• 5.2 试验分析63-64
• 5.3 变波幅试验研究64-67
• 结论67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 宁德志;宋伟华;滕斌;卓晓玲;;容器固有频率对液体晃荡的影响[J];海洋科学进展;2012年01期

2 李大鸣;陈海舟;张建伟;徐亚男;;基于SPH法的二维矩形液舱晃荡研究[J];计算力学学报;2010年02期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 朱小松;粒子法的并行加速及在液体晃荡研究中的应用[D];大连理工大学;2011年

2 耿宝磊;波浪对深海海洋平台作用的时域模拟[D];大连理工大学;2010年

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本文编号：1105634