舱室内液体晃荡的数值模拟及其与船体运动耦合作用的研究

发布时间：2017-09-12 06:44

  本文关键词：舱室内液体晃荡的数值模拟及其与船体运动耦合作用的研究

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【摘要】：近年来，以液化天然气船（LNGC）为代表的液货船成为重要的海上运输装备。该类液货船在海上航行时，受海浪作用会产生船体摇荡运动，由于具有大体积的液舱，因此会引起液舱晃荡现象。在恶烈海况下，大幅船舶摇荡运动所引发的液体剧烈晃荡，会对液舱结构产生砰击，造成局部结构损坏，甚至还会恶化耐波性能严重影响运营作业安全。因此，开展液舱晃荡及其与船体的耦合运动研究就具有实际工程应用价值。 据此，本论文着重研究四个方面的问题：液舱晃荡的液面大变形现象模拟及其砰击压强计算；带防晃结构液舱的晃荡现象模拟，以及防晃结构效能对比分析；基于PIV技术的液舱晃荡流场测量及其模拟分析；液舱晃荡与船体的耦合运动模拟分析。 针对上述问题，本论文所开展的主要工作具体如下： 一、三维液舱晃荡运动控制方程及其数值计算方法 考虑到不同的晃荡激励形式，建立了三维液舱晃荡运动的控制方程，基于直角有限差分网格，对控制方程进行了数值离散，并采用超松弛高斯-赛德尔迭代法进行了速度和压强耦合求解。 二、三维液舱晃荡的PLIC-VOF方法数值模拟 基于直角有限差分网格，，根据方向分裂算法以及Lagrange对流计算法求解流体体积分数控制方程，并结合控制方程的数值解法，发展了自由表面重构的PLIC-VOF法，并应用于模拟三维液舱的剧烈晃荡问题。 三、液舱晃荡的CLSVOF方法数值模拟 基于PLIC-VOF方法，考虑及Level-set方法隐式跟踪自由表面的性能，引入Level-set函数确定自由表面法向，结合PLIC-VOF良好的质量守恒性能，实现了PLIC-VOF方法与Level-set方法耦合的CLSVOF数值方法，并应用于液舱剧烈晃荡模拟等问题。 四、三维通度系数法结合PLIC-VOF法模拟带防晃结构的液舱晃荡问题 引入三维通度系数法，并修改了流动的控制方程，结合直角网格的PLIC-VOF方法，实现了三维带不同型式防晃结构的液舱晃荡数值模拟，并通过局部液面和压强时历对比探讨了防晃效果。 五、基于PIV技术的液舱晃荡流场精细测量与模拟 合理设计液舱及其平面运动机构，由伺服系统控制运动机构在直线方向的速度时历，考虑液舱的不同装载水平，设定共振频率下的横荡运动激励，应用PIV技术进行液舱晃荡流场的精细测量以及波形观察分析。应用PLIC-VOF方法，进行了液舱晃荡流场的数值模拟，以及PIV试验结果对比分析。 六、液舱晃荡的WC-MPS方法数值模拟 基于流体弱可压缩假定，提出了基于Tait状态方程的弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）。该方法通过直接计算流体状态方程来快速获取流场压强，而没有求解计算耗时的压强Poisson方程，并应用该方法模拟了剧烈晃荡的自由表面大变形现象。 七、波浪中液舱晃荡与船体摇荡的耦合作用数值模拟 考虑到液舱晃荡与船体运动的耦合作用，建立了液货船的耦合运动方程，结合内流场粘性流体PLIC-VOF方法，确定液舱晃荡作用力以及力矩，由外流场二维切片方法确定波浪中船体频域水动力系数及波浪载荷，采用Newmark-β法进行耦合运动方程的时域求解，实现波浪中船体运动的数值模拟。 本论文研究的创新性可以总结为以下三个方面： 一、三维通度系数法结合PLIC-VOF方法模拟带防晃结构液舱的晃荡问题 基于三维通度系数法表达流场中的固体相，并修改流动的控制方程，与三维PLIC-VOF方法相结合，实现了带防晃结构的三维液舱晃荡模拟。 二、直角网格CLSVOF数值方法模拟液舱剧烈晃荡问题 基于PLIC-VOF方法的良好质量守恒性能，考虑及Level-set方法隐式跟踪自由表面的性能，针对每一时间步的Level-set函数重新初始化，由PLIC-VOF重构自由表面，通过确定邻近网格到自由表面网格的最近距离，进行Level-set函数的重新初始化，实现了耦合的CLSVOF数值方法，并应用于液舱剧烈晃荡模拟。 三、基于弱可压缩假定的WC-MPS方法模拟液舱剧烈晃荡问题 鉴于传统不可压缩移动粒子半隐式法（Fully Incompressible-MPS）通过求解Poisson方程获取压强，计算低效而耗时，因此基于流体弱可压缩假定，选用流体的Tait状态方程直接而快速求解流场压强，建立了弱可压缩移动粒子半隐式法（WeaklyCompressible-MPS），并应用于模拟剧烈晃荡问题。
【关键词】：液体晃荡 船体运动 数值模拟 耦合作用
【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】：U674.133.3;U661
【目录】：

• 附件5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-32
• 1.1 研究背景和意义15
• 1.2 国内外的研究现状综述15-16
• 1.3 液舱晃荡的研究进展16-25
• 1.3.1 势流方法16-17
• 1.3.2 粘流数值方法17-23
• 1.3.3 晃荡实验研究23-25
• 1.4 液体晃荡与船舶运动的耦合作用研究25-28
• 1.4.1 内外流场势流方法25-26
• 1.4.2 外流场势流加内流场粘流 CFD 的混合方法26-27
• 1.4.3 液体晃荡运动与船舶运动的耦合作用实验研究27-28
• 1.5 本文研究内容和创新点28-32
• 1.5.1 本文研究目的28
• 1.5.2 本文研究内容28-29
• 1.5.3 本文创新点29-30
• 1.5.4 本文研究技术路线30-32
• 第二章 液舱晃荡的 PLIC-VOF 方法模拟32-52
• 2.1 液体晃荡的控制方程32-33
• 2.2 边界条件33-34
• 2.3 数值计算模型34-39
• 2.3.1 计算网格34-35
• 2.3.2 控制方程的数值解法35-37
• 2.3.3 速度和压强的迭代求解37-39
• 2.3.4 数值稳定条件39
• 2.4 自由表面的 PLIC-VOF 重构39-44
• 2.5 PLIC-VOF 方法算例验证44-45
• 2.5.1 溃坝模拟算例44-45
• 2.6 PLIC-VOF 方法晃荡模拟算例45-51
• 2.6.1 水平简谐横荡激振下的液体晃荡45-47
• 2.6.2 简谐横摇激振下的液体晃荡47-49
• 2.6.3 共振横荡激励下大幅晃荡自由表面模拟49
• 2.6.4 共振横荡激励下大幅晃荡压强模拟49-51
• 2.7 本章小结51-52
• 第三章 液舱晃荡的 CLSVOF 方法模拟52-71
• 3.1 LEVEL-SET 方法52-54
• 3.1.1 概述52
• 3.1.2 符号距离函数定义52-53
• 3.1.3 符号距离函数初始化53-54
• 3.2 控制方程和重新初始化方程的求解54-56
• 3.2.1 空间导数离散54-55
• 3.2.2 时间导数离散55-56
• 3.3 LEVEL-SET 方法求解流动问题的基本流程56
• 3.4 CLSVOF 方法56-60
• 3.5 CLSVOF 方法验证算例60-65
• 3.5.1 Zalesak 旋转圆盘问题60-61
• 3.5.2 不带自由表面气泡运动问题61-63
• 3.5.3 带自由表面气泡运动问题63-64
• 3.5.4 溃坝问题64-65
• 3.6 CLSVOF 方法模拟晃荡算例65-70
• 3.6.1 低装载水平横荡共振晃荡液面模拟65-66
• 3.6.2 横荡共振晃荡压强计算66-67
• 3.6.3 横摇共振晃荡压强计算67-70
• 3.7 本章小结70-71
• 第四章 带防晃结构液舱晃荡的通度系数法模拟71-87
• 4.1 通度基本概念71-72
• 4.2 流动控制方程修正72
• 4.3 二维 PLIC-VOF 结合通度系数法模拟溃坝算例72-74
• 4.4 二维 PLIC-VOF 结合运动通度系数法模拟共振晃荡算例74-75
• 4.5 三维 PLIC-VOF 结合通度系数法模拟液舱晃荡75-86
• 4.6 本章小结86-87
• 第五章 液舱晃荡流场的 PIV 测量与数值模拟87-101
• 5.1 PIV 系统基本构成87-89
• 5.1.1 激光器88
• 5.1.2 示踪粒子88
• 5.1.3 高速 CCD 相机88-89
• 5.1.4 同步器89
• 5.1.5 图像处理设备89
• 5.2 液舱晃荡试验模型及工况89-91
• 5.2.1 液舱模型90
• 5.2.2 平面运动机构90
• 5.2.3 试验模型及工况90-91
• 5.3 液舱晃荡数值模拟结果与试验结果对比91-100
• 5.4 本章小结100-101
• 第六章 液舱晃荡的 WC-MPS 方法模拟101-118
• 6.1 MPS 方法概述101
• 6.2 MPS 计算模型101-105
• 6.2.1 流动控制方程101-102
• 6.2.2 核函数选取102
• 6.2.3 粒子密度计算102
• 6.2.4 梯度算子模型102-103
• 6.2.5 Laplacian 算子模型103
• 6.2.6 控制方程的数值解法103-105
• 6.2.7 自由表面判别105
• 6.2.8 固体边界条件105
• 6.3 二维 MPS 方法验证算例105-111
• 6.3.1 溃坝模拟 1105-108
• 6.3.2 溃坝模拟 2108-109
• 6.3.3 水下楔块下滑兴波模拟109-110
• 6.3.4 Scott Russell 孤立波模拟110-111
• 6.4 三维 MPS 方法验证算例111-114
• 6.4.1 溃坝模拟 1112-113
• 6.4.2 溃坝模拟 2113-114
• 6.5 MPS 方法模拟晃荡算例114-116
• 6.5.1 低装载液舱晃荡液面模拟对比114-115
• 6.5.2 低装载液舱晃荡压强模拟对比115-116
• 6.6 本章小结116-118
• 第七章 液舱晃荡与船体摇荡的耦合运动研究118-139
• 7.1 切片理论118-119
• 7.1.1 坐标系118-119
• 7.1.2 船舶遭遇频率与波面方程119
• 7.2 船舶在波浪中的运动方程119-122
• 7.2.1 船体纵向切片上的流体载荷120-122
• 7.2.2 船舶运动方程122
• 7.2.3 船舶横摇阻尼的确定122
• 7.3 液舱晃荡与船体摇荡的耦合运动方程122-124
• 7.3.1 船体纵向切片上的波浪载荷123
• 7.3.2 船体液舱晃荡载荷123-124
• 7.3.3 液舱晃荡与船体摇荡耦合运动方程124
• 7.4 液舱晃荡与船体摇荡耦合运动方程求解方法124-126
• 7.4.1 耦合方程时域求解124-125
• 7.4.2 耦合方程求解流程125-126
• 7.5 液舱晃荡与船体摇荡耦合运动模型试验简介126-129
• 7.5.1 试验模型126-128
• 7.5.2 规则波中船舶运动响应试验128-129
• 7.6 耦合运动模型试验结果以及数值模拟对比129-138
• 7.6.1 压载船模试验结果与切片理论计算结果对比129-131
• 7.6.2 耦合船模试验结果与数值模拟结果对比131-133
• 7.6.3 多液舱晃荡影响数值模拟结果133-138
• 7.7 本章小结138-139
• 第八章 全文总结139-142
• 8.1 主要结论139-141
• 8.2 研究展望141-142
• 参考文献142-156
• 致谢156-157
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文157

【参考文献】

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本文编号：835672