液舱晃荡与船舶时域运动全耦合的势粘流组合数值模拟

发布时间：2017-09-11 06:19

  本文关键词：液舱晃荡与船舶时域运动全耦合的势粘流组合数值模拟

  更多相关文章： 非线性液舱晃荡 OpenFOAM 有限体积法 边界元法 时域耦合运动 有航速船舶运动 模型试验

【摘要】：随着人们对海洋中各类能源开发需求的日益增大，在全世界范围内，液化天然气船（LNG）以及液化石油气船（LPG）的开发技术也随之不断发展。此类载液船舶在海洋中航行时，在风浪作用下会产生的多自由度运动响应，其所装载的具有自由液面的液舱，在船舶的多自由度运动响应下，会产生程度不等的液舱晃荡现象。若是海况剧烈，则相应程度的液舱晃荡现象会对舱壁产生强烈的砰击作用，同时，晃荡现象产生的水静压力以及水动力的联合作用下对船舶多自由度运动均有不同程度的影响。此类现象产生的局部结构损坏以及船舶耐波性失衡现象极为突出，因此，液舱晃荡及其所产生的各类效应在工程领域中均不可等闲视之。本文的研究内容侧重于载液船舶在波浪中时域运动的不同类型的数值计算方法的研究及其应用，无论是对理论研究及至实际的工程方面均有较高的应用价值。 对于纯时域势流组合载液船舶耦合运动数值计算开发，针对载液有航速船舶在波浪上时域运动问题，本文基于有航速三维时域理论，非线性三维时域理论，脉冲响应理论，边界元方法，开发出了基于势流理论全时域耦合非线性液舱晃荡现象的有航速船舶在波浪上运动计算程序。本文对在波浪中运动的S175集装箱船的运动响应进行了全面与系列的数值计算工作。通过与实验数据的比较，验证了无航速载液船舶在波浪上时域运动计算程序的正确性与可靠性。对于加载液舱的S175船舶，分别就不同航速下的来波工况进行了数值计算工作。对于有航速船舶耦合非线性液舱晃荡在波浪中的时域运动的合理的理论分析，证明了数值计算程序的有效性。并且通过对于一艘加载液舱的15000GT集装箱船的横摇运动的数值研究分析工作，为进一步的工程实际应用打下了基础。 对于势-粘流组合载液船舶耦合运动数值计算开发，本文基于船舶在波浪上的运动理论、三维频域格林函数方法，脉冲响应理论，粘性流理论，有限体积方法，边界元方法，对于零航速与较低航速的船舶与浮式结构物，基于开源CFD代码OpenFOAM，开发出了高效的求解耦合非线性液舱晃荡现象的无航速船舶与海洋结构物在波浪作用下时域运动计算代码。通过对不同装载深度与来波条件，对装载液舱的LNG船模进行了模型实验研究与数值计算研究，其结果验证了无航速耦合运动计算程序的正确性与可靠性。此代码由于针对于工程界经常面对的载液无航速浮式结构物的时域运动，且实现手段同样偏重于开源代码，实现困难度较小，应用范围面很广，因此具有很高的工程实用价值。 本文提出的各种载液船舶在波浪上运动的时域计算方法，无论是否计及航速，均能够完整的考虑波浪，，船体，非线性液舱晃荡现象之间的耦合作用，能够清晰地显现液舱晃荡现象对船体全局运动特别是横摇运动的影响，具有较高的计算效率的同时反映出了液舱晃荡和船舶运动的耦合效应，通过实际计算验证了其具有良好的工程应用前景。
【关键词】：非线性液舱晃荡 OpenFOAM 有限体积法 边界元法 时域耦合运动 有航速船舶运动 模型试验
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 本文研究工作的意义与目的13-15
• 1.2 船舶与浮式结构物的耐波性研究方法综述15-24
• 1.2.1 二维频域时域理论16-18
• 1.2.2 三维频域理论18-20
• 1.2.3 三维时域理论20-24
• 1.3 液舱晃荡问题的研究手段与计算方法24-28
• 1.4 载液船舶耦合运动的计算方法28-30
• 1.5 本文的主要工作及创新点30-33
• 第二章 非线性液舱晃荡问题的理论与数值计算33-68
• 引言33
• 2.1 求解三维液舱晃荡的全非线性时域势流理论33-40
• 2.1.1 液舱晃荡问题的数学模型33-38
• 2.1.2 边界离散的数学处理38-40
• 2.2 基于全非线性势流理论的液舱晃荡数值模拟40-44
• 2.3 基于有限体积法与OPENFOAM的N.S.方程的数值求解方法44-55
• 2.3.1 两相流理论的控制方程44-47
• 2.3.2 控制方程的有限体积离散化47-51
• 2.3.3 处理压力速度耦合的PISO算法51-53
• 2.3.4 液舱晃荡问题中动网格技术的原理53-55
• 2.3.5 数值计算求解过程55
• 2.4 基于粘流理论的液舱晃荡问题数值计算55-67
• 2.4.1 纵摇工况数值计算结果58-63
• 2.4.2 横摇工况数值计算结果63-67
• 2.5 本章小结67-68
• 第三章 无航速三维船舶与浮式结构物在波浪上运动的间接时域理论68-90
• 引言68
• 3.1 船舶与浮式结构物在波浪上运动的势流理论基础68-77
• 3.1.1 速度势的分解68-70
• 3.1.2 速度势的控制方程与定解问题70-73
• 3.1.3 无航速浮体的辐射及绕射问题73-76
• 3.1.4 格林函数方法76-77
• 3.2 三维间接时域理论77-81
• 3.2.1 定解条件与边界离散77-78
• 3.2.2 辐射势的数值计算78-79
• 3.2.3 频域水动力系数及时延函数79-80
• 3.2.4 绕射势的数值计算80
• 3.2.5 外域波浪力80-81
• 3.3 船舶与浮式结构物在波浪上运动的刚体运动方程81-83
• 3.4 船舶与浮式结构物在波浪上运动的时域运动方程83-84
• 3.5 间接时域理论的计算及适用范围探讨84-89
• 3.6 本章小结89-90
• 第四章 船舶运动的三维直接时域理论90-103
• 引言90
• 4.1 时域有航速船舶运动理论的初边值问题90-92
• 4.2 船舶辐射势的计算方法92-94
• 4.3 水动力系数的计算94-96
• 4.4 基于脉冲响应的船舶绕射势的计算方法96-97
• 4.5 波浪力的计算与船舶时域运动方程97-99
• 4.6 船舶时域运动计算与验证99-102
• 4.7 本章小结102-103
• 第五章 载液船舶在波浪上耦合运动的全势流时域数值模拟103-123
• 引言103
• 5.1 有航速载液船舶在波浪上时域运动方程103-106
• 5.2 有航速载液船舶在波浪上时域运动计算106-114
• 5.2.1 船型参数106-107
• 5.2.2 无航速载液船舶时域运动的计算与验证107-109
• 5.2.3 有航速载液船舶时域运动的计算与探讨109-114
• 5.3 液舱晃荡与时域船舶横摇运动的耦合效应分析114-122
• 5.3.1 耦合液舱晃荡的横摇运动模型试验114-116
• 5.3.2 载液15000GT集装箱船时域数值计算116-119
• 5.3.3 液舱晃荡对横摇运动影响计算与分析119-122
• 5.4 本章小结122-123
• 第六章 粘势流组合的载液船舶与浮式结构物的时域运动数值模拟123-148
• 引言123-124
• 6.1 船舶与浮式结构物耦合液舱晃荡的时域运动计算方法124-125
• 6.2 船舶耦合液舱晃荡时域运动的数值计算125-138
• 6.2.1 LNG船模实验相关物理参数125-127
• 6.2.2 船舶非线性横摇阻尼的预估方法127-128
• 6.2.3 不加载液舱的LNG船水动力计算128-132
• 6.2.4 加载液舱的LNG船运动响应计算132-138
• 6.3 载液 LNG 船在不规则波中的运动响应模拟138-142
• 6.4 加载多个液舱的 LNG 船在波浪中的运动预报142-146
• 6.5 本章小结146-148
• 第七章 耦合液舱晃荡的LNG船耐波性模型试验148-164
• 引言148
• 7.1 LNG 模型相关参数148-151
• 7.2 相似法则与物理量的换算151-152
• 7.3 实验测量仪器与信号采集分析系统152-153
• 7.4 耐波性试验工况153-155
• 7.5 试验结果155-163
• 7.5.1 LNG船模自由衰减试验155-156
• 7.5.2 LNG船模规则波试验156-158
• 7.5.3 LNG船模不规则波耐波性实验158-163
• 7.6 总结与分析163-164
• 第八章 总结与展望164-167
• 8.1 全文总结164-165
• 8.2 研究展望165-167
• 参考文献167-175
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况175-176
• 致谢176

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 黄广茂;方智勇;;基于Level-set法的液体晃荡与弹性液舱耦合作用研究[J];船舶工程;2007年06期

2 方智勇;端木玉;朱仁庆;;基于Level-set法的液舱液体晃荡数值模拟[J];船舶力学;2007年01期

3 祁江涛;顾民;吴乘胜;;液舱晃荡的数值模拟[J];船舶力学;2008年04期

4 钱昆 ,王言英 ,王大政;Response Characteristics of Load on Vessels in Waves[J];China Ocean Engineering;1999年03期

5 段文洋 ,戴遗山;New Derivation of Ordinary Differential Equations for Transient Free-Surface Green Functions[J];China Ocean Engineering;2001年04期

6 钱昆,王言英;Analysis of Wave Loads on A Semi-Submersible Platform[J];China Ocean Engineering;2002年03期

7 朱仁传;朱海荣;申亮;缪国平;刘应中;;Numerical Treatments and Applications of the 3D Transient Green Function[J];China Ocean Engineering;2007年04期

8 朱仁庆,颜开,吴有生;盛液容器内液体二维晃荡的数值模拟[J];华东船舶工业学院学报;1998年02期

9 邹元杰,段文洋,任慧龙,宋竞正;船舶在波浪中脉动压力预报的三维方法[J];哈尔滨工程大学学报;2002年01期

10 张亮,李云波,黄德波;水线积分项对运动浮体波浪绕射力的影响[J];哈尔滨工程大学学报;1998年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 朱海荣;船舶与海洋结构物运动的三维时域方法及应用[D];上海交通大学;2009年

本文编号：829081