箱体中非线性液体晃荡现象的数值模拟

论文摘要

随着石油、天然气需求的不断增加,VLCC(超大油轮)、FPSO(浮式生产储油轮)、LPG(液化石油气)船、LNG(液化天然气)船的需求量不断增加,装载量越来越大,载液船舶在海上的安全性问题在船舶与海洋工程领域引起了广泛的关注。晃荡是指部分充满液体的箱体在外部激振力的作用下产生可移动的自由表(界)面的现象,它是一种非常复杂的流体运动,呈现出很强的非线性和随机性。在几乎所有的装载条件下(100%满载和空载除外),晃荡都是可能发生的。剧烈的液体晃荡产生巨大的局部冲击载荷,严重情况下可造成舱壁结构的破坏。为了进行晃荡载荷作用下的舱壁设计以及保证船舶的稳定性,有必要运用数值方法对液体晃荡现象进行模拟。本文的主要研究内容有：(1)对液体晃荡现象的势流、粘性流及实验研究进展进行了系统的回顾,并介绍了自由面模拟的数值方法。(2)讨论了液体晃荡现象模拟的数值方法,详细推导了任意拉格朗日欧拉(ALE)有限元法、边界元法的数值求解过程,介绍了VOF法的基本原理,并通过与解析解的比较,验证了这三种方法的有效性。(3)通过运用ALE有限元法、边界元法对水平激励下二维矩形箱体液体晃荡现象的数值模拟,探讨了水平挡板、竖直挡板对液体晃荡现象的影响,并比较了这两种方法在模拟液体晃荡现象中的优缺点。(4)基于势流理论运用边界元法分别对水平激励、横摇激励下不带挡板、带挡板三维矩形箱体液体晃荡现象进行了数值模拟,并计算了作用于箱体上的力和力矩,并分析了挡板的类型、尺寸、位置对晃荡现象的影响。(5)运用VOF法研究了水平激励、横摇激励下三维箱体内剧烈液体晃荡现象,并对浅水状态下的液体晃荡现象进行了数值模拟。对带挡板箱体内液体晃荡现象进行了研究,分析了挡板的类型、尺寸、位置对晃荡现象的影响。通过本文的工作得到以下结论：(1)水平激励下的液体晃荡现象,带水平挡板箱体内波位移瞬时幅值随挡板与静水面距离的减小、挡板长度的增大而减小,带竖直挡板箱体内波位移瞬时幅值随挡板高度增加而减小；相对于水平挡板,竖直挡板是降低晃荡幅度更加有效的方式。(2)横摇激励下的液体晃荡现象,带竖直挡板箱体内波位移瞬时幅值随挡板高度增加而减小；外部激励振幅较小时,带水平挡板箱体内波位移瞬时幅值随挡板与静水面距离的减小、挡板长度的增大而减小,在大振幅晃荡时,水平挡板并未起到良好的降低波位移瞬时幅值的作用。(3)水平激励下带T型挡板液体晃荡现象,波位移瞬时幅值随挡板高度的增加而减小；T型挡板对横摇激励下的液体晃荡现象并未起到良好的降低波位移瞬时幅值的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 自由面模拟的数值方法
• 1.4 本文的主要内容
• 2 液体晃荡现象模拟的数值方法
• 2.1 ALE有限元法简介
• 2.2 边界元法简介
• 2.3 本章小结
• 3 水平激励下二维矩形箱体液体晃荡现象
• 3.1 基于ALE有限元法的不带挡板矩形箱体液体晃荡数值模拟
• 3.2 带挡板矩形箱体液体晃荡现象势流、粘性流计算结果比较
• 3.3 本章小结
• 4 三维势流场液体晃荡现象
• 4.1 不带挡板三维箱体液体晃荡现象
• 4.2 带单挡板三维箱体液体晃荡现象
• 4.3 带T型挡板三维箱体液体晃荡现象
• 4.4 本章小结
• 5 基于VOF法三维剧烈液体晃荡现象
• 5.1 VOF法简介
• 5.2 不带挡板三维箱体液体晃荡现象
• 5.3 带单挡板三维箱体液体晃荡现象
• 5.4 带T型挡板三维箱体液体晃荡现象
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录