易流态货物舱内晃荡对舱段运动及稳性影响的数值研究

发布时间：2017-08-05 20:25

  本文关键词：易流态货物舱内晃荡对舱段运动及稳性影响的数值研究

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【摘要】：易流态货物是指由一定比例细微颗粒和水分组成的一类散装颗粒状货物。该类货物海上运输过程中,若其含水量超过一定比例并在机械振动、撞击或船舶运动等外力影响下可能发生流态化从而形成类似流体一样的状态。该类货物的易流态属性已成为该类货物运输船发生倾覆事故的重大隐患,与本文相关的研究尚未深入开展。因此,为深入探索易流态货物流态化发生后导致该类货物运输船倾覆发生的机理,本文依据粘性流体动力学理论、三维线性频域势流理论、脉冲响应函数理论以及简化的物面非线性方法等对流态化货物舱内晃荡及其与舱段间的耦合运动和稳性问题开展了一系列的研究工作。流态化货物对舱段运动和稳性的影响可分为流态化货物舱内受迫运动晃荡问题、舱段在波浪中时域运动的求解以及二者的大幅值耦合运动问题。首先,为考察流态化货物舱内受迫运动的晃荡现象,基于粘性流体动力学理论并结合非牛顿流体本构方程对流态化货物的舱内晃荡问题进行了数值计算和验证。其中数值计算的货舱模型取自载重吨57,000散货船的典型舱段,缩尺比为1：66；流态化货物选用3种不同含水量的镍矿砂,其流态化后的流变属性采用非牛顿流体Herschel-Bulkley模型和Bingham模型来描述。不同含水量及外部激励条件下,流态化货物舱内晃荡力矩基本呈周期性变化；不同含水量下流态化货物自由面的变形情况表明,随着含水量的减小,流态化货物相对于货舱运动的滞后作用变得显著：考虑货舱内装设纵隔板时,在隔板高度比为0.4-1.0时,晃荡力矩幅值及自由面运动减小速度最大,特别是在较大外部激励幅值下,隔板的阻碍作用更为显著；流态化货物粘度值也呈周期性变化,但随着隔板高度的增加,其粘度峰值变大；相同外部激励幅值下,当外部激励频率在4.8 rad1/s附近时,晃荡力矩幅值达到最大从而出现共振现象；相同外部激励频率下,晃荡力矩幅值随外部激励幅值的增加基本呈线性增加,最后受到舱内装载流态化货物数量的限制而趋于扁平从而偏离线性行为；单一改变货舱宽度,随着深宽比的增加晃荡力矩幅值逐步减小,当深宽比增加到一定值时其对晃荡力矩幅值的影响变弱。其次,基于三维线性频域势流理论并结合脉冲响应函数理论建立了浮体时域运动计算模型。为进一步考察浮体的大幅值横摇运动,预先求解浮体在不同横倾角下的辐射、绕射问题及静水复原力系数,通过数据拟合技术在时域计算时对浮体水动力系数的实时获取建立了浮体简化物面非线性时域仿真模型从而为解决流态化货物和舱段间的大幅值耦合运动打下基础。最后,设计了载有流态化货物的舱段模型并基于流态化货物舱内晃荡计算模型和间接时域法建立了流态化货物和舱段间的耦合运动计算模型。该模型主要考虑了流态化货物晃荡力矩对二者耦合运动的影响,结果表明只考虑晃荡力矩情况时,其在大部分波浪激励频率下对二者的横摇耦合运动是起到减摇的作用。在对船舶稳性研究方法分析基础上为全面分析流态化货物对舱段横摇运动和稳性的影响,建立了流态化货物和舱段间耦合运动的简化物面非线性时域仿真模型。在求解舱段大幅值横摇耦合运动之前,进行了流态化货物舱内横倾数值试验。流态化货物舱内运动时对舱段静水复原力矩的影响通过记录流态化货物重心的横向偏移量进行考察,一旦流态化货物发生移动,舱段的复原力矩即被削弱。同时考虑流态化货物晃荡力矩以及其对舱段复原力矩的削弱作用,相同波幅下,在共振区附近横摇耦合运动时历曲线出现较为明显的左右不对称现象；继续增大波浪幅值,在共振频率下舱段的横摇耦合运动继续出现不对称现象并且随时间变化而加剧,最终使得舱段复原力矩达到最小随即倾覆得以发生。以上研究结果表明,由于流态化货物舱内运动对舱段复原力矩的削弱作用使得舱段在共振频率下进行大幅值横摇运动时不能回复原位而产生横摇不对称,而舱内流态化货物的不对称运动会继续减小舱段的复原力矩从而加剧这种横摇运动不对称现象,最终导致舱段倾覆发生。
【关键词】：易流态货物 倾覆机理 晃荡 稳性 时域仿真
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第1章 绪论14-34
• 1.1 研究背景及意义14-19
• 1.2 国内外研究现状19-23
• 1.3 液舱内流体晃荡问题研究现状23-28
• 1.4 液舱内流体晃荡和船舶运动耦合问题研究现状28-31
• 1.5 本文主要工作31-34
• 第2章 粘性流体舱内晃荡问题的理论及数值计算34-58
• 2.1 粘性流体舱内晃荡运动控制方程34-36
• 2.2 控制方程的数值离散方法36-39
• 2.2.1 空间离散格式37-39
• 2.2.2 时间离散格式39
• 2.3 不可压缩粘性流动的压力修正技术39-46
• 2.3.1 压力修正理论40-41
• 2.3.2 SIMPLE/SIMPLEC算法41-43
• 2.3.3 PISO算法43-46
• 2.4 粘性流体晃荡问题定解条件46-47
• 2.5 基于两相流模型的自由面捕捉方法47-48
• 2.6 UDF理论及动网格技术48-51
• 2.6.1 UDF理论48-50
• 2.6.2 动网格技术50-51
• 2.7 二维及三维水舱晃荡问题的数值求解51-57
• 2.7.1 横摇运动激励下的二维水舱晃荡51-54
• 2.7.2 横摇运动激励下的三维水舱晃荡54-57
• 2.8 本章小结57-58
• 第3章 流态化货物舱内晃荡问题的数值计算与分析58-89
• 3.1 流态化货物应力-应变本构方程58-61
• 3.2 流态化货物舱内受迫横摇运动时的晃荡问题61-68
• 3.2.1 货舱模型及参数设置61-65
• 3.2.2 流态化货物舱内晃荡对货舱整体作用力矩的计算及验证65-68
• 3.3 具有不同含水量的流态化货物舱内受迫运动晃荡问题68-73
• 3.3.1 不同含水量的流态化货物对货舱整体作用力矩的计算对比68-71
• 3.3.2 不同含水量的流态化货物舱内晃荡自由面运动对比71-73
• 3.4 装设纵隔板的流态化货物舱内受迫运动晃荡问题73-84
• 3.4.1 装设纵隔板的流态化货物对货舱整体作用力矩的计算对比73-77
• 3.4.2 装设纵隔板的流态化货物舱内晃荡自由面运动对比77-84
• 3.5 流态化货物舱内受迫运动晃荡问题参数研究84-88
• 3.5.1 外部激励频率对流态化货物舱内晃荡整体作用力矩的影响研究84-86
• 3.5.2 外部激励幅值对流态化货物舱内晃荡整体作用力矩的影响研究86-87
• 3.5.3 深宽比对流态化货物舱内晃荡整体作用力矩的影响研究87-88
• 3.6 本章小结88-89
• 第4章 船舶或浮式结构物稳性研究时域仿真模型89-109
• 4.1 船舶或浮式结构物在波浪中的运动方程及流场速度势89-92
• 4.1.1 坐标系的选取及速度势的分解89-90
• 4.1.2 船舶或浮式结构物在波浪中运动方程的建立90-92
• 4.2 速度势的定解条件及求解92-99
• 4.2.1 浮体在波浪中运动问题有关的边界条件92-95
• 4.2.2 边界积分方程的建立95-98
• 4.2.3 边界积分方程的离散及求解98-99
• 4.3 船舶或浮式结构物所受流体作用力99-102
• 4.3.1 复原力99-100
• 4.3.2 辐射力100
• 4.3.3 波浪扰动力100-101
• 4.3.4 横摇阻尼力101-102
• 4.4 间接时域方法102-104
• 4.5 简化的物面非线性方法104-108
• 4.6 本章小结108-109
• 第5章 基于间接时域法的流态化货物和舱段间耦合运动数值研究109-134
• 5.1 流体货物和浮体间耦合运动数值模型的建立109-111
• 5.2 规则波中矩形水箱横向耦合运动数值研究111-119
• 5.2.1 浮箱尺寸及计算参数111-113
• 5.2.2 矩形浮箱在规则波作用下横荡水动力系数及幅值响应曲线113-116
• 5.2.3 矩形浮箱在规则波中的横向耦合运动计算结果116-119
• 5.3 规则波激励下流态化货物和舱段间横摇耦合运动研究119-133
• 5.3.1 舱段模型尺寸及计算参数119-120
• 5.3.2 舱段在规则波作用下横摇水动力系数及幅值响应曲线120-124
• 5.3.3 流态化货物对舱段横摇耦合运动的影响分析124-133
• 5.4 本章小结133-134
• 第6章 装载流态化货物的舱段稳性研究时域计算134-158
• 6.1 船舶或浮式结构物稳性问题研究134-143
• 6.1.1 船舶或浮式结构物稳性研究方法分析134-135
• 6.1.2 基于Melnikov函数的船舶稳性问题研究135-143
• 6.2 流态化货物和舱段间耦合运动简化物面非线性时域仿真模型的建立143-145
• 6.3 流态化货物在货舱内的横倾数值试验145-150
• 6.4 装载流态化货物舱段的稳性研究时域仿真计算150-157
• 6.4.1 规则波中流态化货物对舱段横摇运动的影响150-154
• 6.4.2 装载流态化货物舱段大幅值横摇运动及倾覆过程计算154-157
• 6.5 本章小结157-158
• 第7章 总结与展望158-161
• 7.1 总结158-160
• 7.2 展望160-161
• 参考文献161-170
• 攻读学位期间公开发表论文170-171
• 致谢171-172
• 作者简介172

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