U型水舱结构阻尼对减摇性能影响的数值计算研究
发布时间：2021-09-07 20:16
水舱的结构阻尼是影响减摇效果的重要因素之一,目前阻尼最常用的研究方法是模型衰减试验。文章在验证了数值方法准确性的基础上,通过基于VOF方法全尺度CFD数值计算,比较了3种不同阻尼结构的水舱周期和阻尼的变化,并在此基础上进行强迫振荡模拟,对比3种结构的水舱抗摇力矩及其相位的变化,最后提出了一种基于数值计算的评估水舱在规则波中减摇效果的方法,结果表明该评估方法能够很好地反映阻尼结构对水舱减摇效果的影响,在水舱的设计中可作为阻尼结构的设计依据。
【文章来源】：船舶工程. 2020,42(S1)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
液位衰减曲线2CFD控制方程与模型建立
翁搴退椴ǖ挠跋欤?谇?解多相流的计算中应用广泛。根据水舱运动的特点，在计算时，微分方程的离散使用有限体积法，扩散项采用中心差分格式离散，而对流项采用二阶迎风格式离散；求解采用SIMPLE算法，这是目前工程上应用最为广泛的一种流场计算方法；采用VOF法追踪自由面。2.2模型建立和网格划分本文研究的对象为某一排水量为1991t的船舶，船长为88.90m，型宽12.20m，吃水为4.149m，船舶重心为基线以上5.0m，稳性高1.63m，船舶横摇固有周期7.63s。减摇水舱尺寸基本参数见图2和表1。图2水舱尺寸示意图表1水舱参数参数数值参数数值水舱总外宽BT/m11.86边舱高度HT/m4.4水舱总内宽BD/m7.2底通道高度HD/m0.85水舱总长度LT/m5.4水位高度HW/m2.3边舱宽度BW/m2.33舱底距基高度BH/m1.9船舶在实际建造中，考虑强度需要不可避免地要在水道横隔板上增加加强筋等结构，针对本文U型减摇水舱，考虑水道中增加的骨材，可以分为3种阻尼结构：水道光滑、水道结构一（见图3）和水道结构二（见图4），分别简称为原型、方案一、和方案二。其中：原方案水舱的水道没有布置骨材，即水道光滑；方案一、二水道布置有FB150×8的筋，形成了水道中的挡板，其中方案一的筋板间距为1800mm，即有3个筋；而方案二的筋板间距为600mm，即有11个筋。图3方案一图4方案二本文模拟水舱在初始液位下的振荡衰减曲线，选择三维的VOF模型来模拟自由液面，通过初始化后得到的自由振动和强迫振荡的起始液位示意如图5所示。边界条件设定中，水舱的顶端设为pressureoutBTH
U型水舱结构阻尼对减摇性能影响的数值计算研究—82—边界条件，其余为wall边界。在网格划分中，由于横隔板和加强筋厚度很小，为减小网格数量，本文采用baffleinterface交界面技术，将横隔板和加强筋作为无厚度的板进行网格划分。a)自由衰减b)强迫振荡图5初始液面示意图3计算结果对比选择隐式非稳态的求解器，时间步长设为0.05s，计算中监测一侧的液位高度和作用在水舱壁面上的力矩变化。3.1自由衰减振荡图6是三种方案计算得到的计算结果，根据计算可以得到相应的周期和阻尼，见表2。图6三种方案的水位变化曲线表2三种方案的对比类型CFD周期/sCFD阻尼值原型7.220.126方案一7.410.150方案二7.680.166对比阻尼因子可知，阻尼挡板越多，反映到阻尼因子上就越大，幅值衰减也越快。同时，随着阻尼结构的增加，水舱固有周期也会有所增大，但从表2可以看出，阻尼结构的增加主要是影响了阻尼值的变化。3.2强迫振荡试验强迫振荡试验是水舱摇摆台试验的内容之一，通过不同摇摆幅值和频率的作用下，可以得到水舱在规则波下的减摇效果，本文按5°摆幅，周期为T给出强迫振荡，初始位置参考图6，图7为T=7.4s时抗摇力矩时历变化曲线，图8为对应的抗摇力矩与横摇角的相位差关系。图7抗摇力矩时历曲线图8抗摇力矩与横摇角相位差关系从图7可知，由于开始阶段自由液面突然受到强迫运动，水舱液体的运动是一个逐渐稳定的过程，在第四个周期后逐渐趋于稳定，液体作用在舱壁的力矩呈现周期性变化。图8是三种
【参考文献】：
期刊论文
[1]U型减摇水舱模型试验与数值仿真[J]. 吴建林,邵昱,刘少卿,马婷. 船舶工程. 2016(06)
硕士论文
[1]U型减摇水舱阻尼设计与数值仿真研究[D]. 孔繁伟.哈尔滨工程大学 2007
本文编号：3390186
【文章来源】：船舶工程. 2020,42(S1)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
液位衰减曲线2CFD控制方程与模型建立
翁搴退椴ǖ挠跋欤?谇?解多相流的计算中应用广泛。根据水舱运动的特点，在计算时，微分方程的离散使用有限体积法，扩散项采用中心差分格式离散，而对流项采用二阶迎风格式离散；求解采用SIMPLE算法，这是目前工程上应用最为广泛的一种流场计算方法；采用VOF法追踪自由面。2.2模型建立和网格划分本文研究的对象为某一排水量为1991t的船舶，船长为88.90m，型宽12.20m，吃水为4.149m，船舶重心为基线以上5.0m，稳性高1.63m，船舶横摇固有周期7.63s。减摇水舱尺寸基本参数见图2和表1。图2水舱尺寸示意图表1水舱参数参数数值参数数值水舱总外宽BT/m11.86边舱高度HT/m4.4水舱总内宽BD/m7.2底通道高度HD/m0.85水舱总长度LT/m5.4水位高度HW/m2.3边舱宽度BW/m2.33舱底距基高度BH/m1.9船舶在实际建造中，考虑强度需要不可避免地要在水道横隔板上增加加强筋等结构，针对本文U型减摇水舱，考虑水道中增加的骨材，可以分为3种阻尼结构：水道光滑、水道结构一（见图3）和水道结构二（见图4），分别简称为原型、方案一、和方案二。其中：原方案水舱的水道没有布置骨材，即水道光滑；方案一、二水道布置有FB150×8的筋，形成了水道中的挡板，其中方案一的筋板间距为1800mm，即有3个筋；而方案二的筋板间距为600mm，即有11个筋。图3方案一图4方案二本文模拟水舱在初始液位下的振荡衰减曲线，选择三维的VOF模型来模拟自由液面，通过初始化后得到的自由振动和强迫振荡的起始液位示意如图5所示。边界条件设定中，水舱的顶端设为pressureoutBTH
U型水舱结构阻尼对减摇性能影响的数值计算研究—82—边界条件，其余为wall边界。在网格划分中，由于横隔板和加强筋厚度很小，为减小网格数量，本文采用baffleinterface交界面技术，将横隔板和加强筋作为无厚度的板进行网格划分。a)自由衰减b)强迫振荡图5初始液面示意图3计算结果对比选择隐式非稳态的求解器，时间步长设为0.05s，计算中监测一侧的液位高度和作用在水舱壁面上的力矩变化。3.1自由衰减振荡图6是三种方案计算得到的计算结果，根据计算可以得到相应的周期和阻尼，见表2。图6三种方案的水位变化曲线表2三种方案的对比类型CFD周期/sCFD阻尼值原型7.220.126方案一7.410.150方案二7.680.166对比阻尼因子可知，阻尼挡板越多，反映到阻尼因子上就越大，幅值衰减也越快。同时，随着阻尼结构的增加，水舱固有周期也会有所增大，但从表2可以看出，阻尼结构的增加主要是影响了阻尼值的变化。3.2强迫振荡试验强迫振荡试验是水舱摇摆台试验的内容之一，通过不同摇摆幅值和频率的作用下，可以得到水舱在规则波下的减摇效果，本文按5°摆幅，周期为T给出强迫振荡，初始位置参考图6，图7为T=7.4s时抗摇力矩时历变化曲线，图8为对应的抗摇力矩与横摇角的相位差关系。图7抗摇力矩时历曲线图8抗摇力矩与横摇角相位差关系从图7可知，由于开始阶段自由液面突然受到强迫运动，水舱液体的运动是一个逐渐稳定的过程，在第四个周期后逐渐趋于稳定，液体作用在舱壁的力矩呈现周期性变化。图8是三种
【参考文献】：
期刊论文
[1]U型减摇水舱模型试验与数值仿真[J]. 吴建林,邵昱,刘少卿,马婷. 船舶工程. 2016(06)
硕士论文
[1]U型减摇水舱阻尼设计与数值仿真研究[D]. 孔繁伟.哈尔滨工程大学 2007
本文编号：3390186
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