载液船舶在风浪中的运动预报

摘要

随着全球对石油、天然气等能源需求的日益增长，以超大型油船（VLCC）、液化天然气（LNG）运输船为代表的各种特殊载液船舶的数量迅速上升。当载液船舶在海上航行时，在波浪作用下会产生摇荡运动。而船上液舱内的液体也会在船舶的摇荡激励作用下诱发晃荡现象。当晃荡作用较为剧烈时，会带来船舶倾覆等灾难性后果。因此，有效预报液舱内液体晃荡载荷对船舶航行性能的影响并加以控制，意义重大。 本文目的在于探索液体晃荡运动与船舶摇荡运动间的耦合作用机理，并能有效预报载液船舶的运动性能。 本文首先回顾了船舶在波浪中运动以及液舱内液体晃荡的研究现状。虽然在这两个方面都取得了令人鼓舞的成果，并且有些在工程实际中得到了较好的应用，但将载液船舶作为一个力学系统，既考虑到船舶在波浪中的运动、又计及液舱内晃荡载荷对船舶运动影响的研究才刚刚起步，还有许多问题有待深入研究。要使该领域的成果更好地用于工程问题，关键之一是要更好地建立起液体晃荡与载液船舶运动相互作用分析方法。因此本文的工作就是尝试发展一种解决上述两种耦合作用的工程计算方法。鉴于该问题的复杂性，为便于分析，本文仅探讨了载液船舶在规则波浪中作微幅横摇运动的情况。选择流体体积法（VOF）作为液舱内晃荡流场的描述方法，通过求解N-S方程获得晃荡载荷。基于“等效波浪”的概念，将晃荡载荷转化为具有完全相同作用效果的外部“等效波浪”。通过船舶运动方程，求解了载液船舶横摇运动的稳态解。 论文所做的主要工作归纳如下： 1）假定载液船舶为刚体，建立了计及晃荡载荷影响的载液船舶运动方程。 2）改进了现有的液体晃荡运动数值计算方法，计算了刚性液舱中在不同形式外部强制激励作用下液体的晃荡载荷并进行了总结分析。 3）根据对刚性液舱内液体晃荡载荷规律的分析，提出了将晃荡载荷转换为外部“等效波浪”的概念，计算了外部“等效波浪”的相关参数，并求解了相应外部“等效波浪”中船舶的运动响应。 4）假定载液船舶在规则波浪中作微幅线性摇荡运动，在时域内，基于叠加原理，将外部波浪以及“等效波浪”中船舶的运动稳态解叠加求解了载液船舶在规则波浪中的运动的稳态解。 通过本文的工作，得到如下结论： 1）液舱的几何尺寸、液体的物理特性、装液深度确定时，外界激励的幅度、频率对液体晃荡的幅度、频率有相当大的影响。对余弦形式的强迫简谐横摇，当外界激励幅度较小、频率较高时，液舱内液体晃动主频率与外激励频率相差不大，且晃荡载荷随时间的变化规律近似满足同样的分布规律。 2）液舱内晃荡载荷可分解为冲击载荷以及非冲击载荷两种，其中冲击载荷主要对液舱的局部结构有影响，但对船舶运动影响较小，可不计；而非冲击载荷对船舶运动影响显著，外部“等效波浪”即由该部分转化而来。 3）以载液船舶微幅摇荡运动为外激励，逐次计算晃荡的“等效波浪”时，其幅值衰减很快，但频率变化不大。 4）虽然在微幅波浪的作用下，液体晃荡对载液船舶运动的影响不大，但本文提出的方法是可以用来分析载液船舶运动与液体晃荡相互耦合作用的。