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

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(Weakly Compressible-MPS),并应用于模拟剧烈晃荡问题。

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目录

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外的研究现状综述

1.3液舱晃荡的研究进展

1.4液体晃荡与船舶运动的耦合作用研究

1.5本文研究内容和创新点

第二章 液舱晃荡的PLIC-VOF方法模拟

2.1 液体晃荡的控制方程

2.2 边界条件

2.3数值计算模型

2.4 自由表面的PLIC-VOF重构

2.5 PLIC-VOF方法算例验证

2.6 PLIC-VOF方法晃荡模拟算例

第三章 液舱晃荡的CLSVOF方法模拟

3.1 Level-Set方法

3.2 控制方程和重新初始化方程的求解

3.3 Level-set方法求解流动问题的基本流程

3.4 CLSVOF 方法

3.5 CLSVOF方法验证算例

3.6 CLSVOF方法模拟晃荡算例

3.7本章小结

第四章 带防晃结构液舱晃荡的通度系数法模拟

4.1 通度基本概念

4.2 流动控制方程修正

4.3二维PLIC-VOF结合通度系数法模拟溃坝算例

4.4二维PLIC-VOF结合运动通度系数法模拟共振晃荡算例

4.5三维PLIC-VOF结合通度系数法模拟液舱晃荡

4.6本章小结

第五章 液舱晃荡流场的PIV测量与数值模拟

5.1 PIV系统基本构成

5.2液舱晃荡试验模型及工况

5.3液舱晃荡数值模拟结果与试验结果对比

5.4本章小结

第六章 液舱晃荡的WC-MPS方法模拟

6.1 MPS方法概述

6.2 MPS计算模型

6.3 二维MPS方法验证算例

6.4 三维MPS方法验证算例

6.5 MPS方法模拟晃荡算例

6.6本章小结

第七章 液舱晃荡与船体摇荡的耦合运动研究

7.1切片理论

7.3液舱晃荡与船体摇荡的耦合运动方程

7.4液舱晃荡与船体摇荡耦合运动方程求解方法

7.5液舱晃荡与船体摇荡耦合运动模型试验简介

7.6耦合运动模型试验结果以及数值模拟对比

7.7 本章小结

第八章 全文总结

8.1 主要结论

8.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文