独立C型液舱晃荡数值模拟与实验研究

摘要

近年来，随着环境污染的加重以及人们环保意识的提高，LNG作为一种清洁能源，倍受青睐，已成为发展最快的燃料之一。世界上第一艘以LNG为动力的集装箱船“IslaBella”的成功下水，标志着LNG燃料动力船成为未来航运业的发展趋势。LNG燃料船的正常运营离不开LNG的补给，LNG加注船是船用LNG加注设施的重要组成部分，它以投资小、操作方便、机动性强的特点具有广阔的市场需求空间。LNG加注船多采用独立C型液舱，而难以避免的是液舱的部分装载，可能会产生较大的晃荡载荷，对液舱结构甚至船舶的稳性带来不良影响。因此，有必要对独立C型液舱内的液体晃荡进行研究。
　　本文针对独立C型液舱的晃荡问题，进行了以下研究工作:
　　(1)基于线性势流理论，建立了求解刚体容器内液体模态的有限元分析模型，求解了C型液舱模型罐内液体在不同载液率下的纵向一阶晃荡固有频率。
　　(2)进行了独立C型液舱晃荡模型实验，叙述了实验装置，实验流程和实验工况。提供了不同载液率下，激励频率等于固有频率时监测点的压力历时曲线。对不同载液率、不同激励频率、不同激励幅值下的实验现象进行了描述。
　　(3)通过对实验现象的观察，得到:当纵摇频率接近罐体内液体的晃荡固有频率时，晃荡较为剧烈，可能会出现液体冲顶的现象，并可能对罐体顶部产生猛烈的拍击。液位越高，晃荡越剧烈，对罐体产生的拍击越大。
　　(4)通过对实验数据的分析，得到:当纵摇频率在0.6-1.4倍纵向一阶晃荡固有频率范围内时，可能产生较大的晃荡载荷;最大的晃荡载荷并不发生在纵摇频率等于固有频率时，而是发生在略微高于固有频率处;当激励频率由低到高接近固有频率时，晃荡载荷的增长基本呈线性;当激励频率超过并远离固有频率时，晃荡载荷迅速衰减，其幅度大于激励频率由低接近固有频率时，晃荡载荷的增长幅度;纵摇的幅度越大，产生的晃荡载荷越大;当纵摇幅值更大时，外部传递给罐体内液体的能量也越大，从而导致能够激发剧烈晃荡的激励频率范围的增大，更为危险。
　　(5)基于有限体积法、VOF法和k-epsilon湍流模型，建立了液舱晃荡数值计算模型，研究了区域运动加载方法以及检测点跟踪方法。对Fluent求解方式进行了比较研究，给出了适用于晃荡数值模拟的求解方式。并对模型进行了验证。
　　(6)通过模型实验和数值计算结果的结合，得到:晃荡产生的拍击压力主要集中在罐体项部和封头的交界处附近。
　　(7)针对独立C型液舱内液体的晃荡，进行了网格独立性研究，给出了网格生成建议，通过模型实验结果验证了晃荡数值计算模型。证明数值计算方法有能力模拟较为剧烈的液体大幅晃荡，适用于液舱晃荡载荷的预报。但对于模拟波浪的破碎，大量水花的飞溅，气液两相的混合，及产生大量气泡的现象还无能为力。

目录

封面

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 理论研究

1．2．2 数值研究

1．2．3 实验研究

1．3 主要研究内容

2 基于势流理论的晃荡固有频率研究

2．1 引言

2．2 有限元分析模型

2．2．1 势流体单元

2．2．2 数学模型

2．2．3 边界条件和交界面单元

2．2．4 载荷及求解方法

2．2．5 模态参数识别

2．3 有限元模型的验证

2．4 独立C型液舱晃荡固有频率计算

2．5 本章小结

3 独立C型液舱晃荡模型实验

3．1 引言

3．2 实验装置概述

3．2．1 六自由度晃荡仿真运动平台

3．2．2 动态压力采集系统

3．3 问题描述

3．3．1 模型尺寸及压力监测点的位置

3．3．2 运动函数

3．4 实验流程

3．5 实验工况

3．6 实验结果与分析

3．6．1 独立C型液舱模型内液体晃荡现象描述

3．6．2 各载液率固有频率激励下的压力历时曲线

3．6．3 激励幅值及载液率对晃荡载荷的影响

3．6．4 激励频率对晃荡载荷的影响

3．7 本章小结

4 液舱晃荡数值计算模型

4．1 引言

4．2 控制方程与数值方法

4．2．1 CFD主要控制方程

4．2．2 纳维-斯托克斯方程

4．2．3 有限体积法

4．2．4 标准κ-ε两方程湍流模型

4．3 区域的运动与压力的监测

4．4 F I uent求解方式比较

4．4．1 时间步进格式的比较

4．4．2 速度压力耦合方法的比较

4．4．3 空间离散格式的比较

4．4．4 小结

4．5 数值计算模型验证

4．5．1 主要求解设置

4．5．2 算例1

4．5．3 算例2

4．6 本章小结

5 独立C型液舱晃荡数值模拟

5．1 引言

5．2 模拟问题描述

5．3 网格独立性研究

5．3．1 网格划分软件简介

5．3．2 所用的网格

5．3．3 误差分析方法

5．3．4 计算工况

5．3．5 结果

5．3．6 网格生成建议

5．4 计算结果与验证

5．4．1 主要求解设置

5．4．2 工况1

5．4．3 工况2

5．5 改进实验建议

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢