基于MPS方法的液舱晃荡数值模拟与分析

摘要

液舱晃荡是指在外部激励作用下部分装载的液舱内液体所产生的波动现象。剧烈的晃荡会产生巨大的抨击压力，造成舱壁结构的变形和破坏，同时晃荡产生的力矩还会影响液货船的稳性，严重时可导致船舶的倾覆。晃荡载荷已经成为大型载液货船安全性评估的重要内容之一，因此开展液舱晃荡的研究工作具有非常重要的工程价值。　　本文基于万德成教授课题组自主开发的无网格粒子法求解器MLParticle-SJTU，从激励频率、装载高度、隔板对晃荡的影响及多自由度耦合激励下的液舱晃荡等方面对晃荡问题做了系统地分析和研究。本论文的主要工作如下：　　一、不同装载高度下，激励频率（周期）对液舱晃荡产生的影响首先，基于浅水和危险水深两种装载高度下的二维矩形液舱，分析了横摇激励周期对液舱晃荡产生的影响，得到了两种装载高度下的共振周期。然后对三维薄膜型液舱在单自由度横摇和纵摇激励下的晃荡问题进行数值模拟，并分析了不同激励形式下装载高度和激励频率对晃荡抨击压力的影响。最后，基于浅水工况下的矩形液舱，对一系列横摇激励频率下的液舱晃荡进行了数值模拟，分析了晃荡力矩随激励频率的变化规律。结果表明，激励频率（周期）对晃荡产生的拍击压力和力矩影响较大；当激励频率在一阶固有频率附近时，晃荡幅度最大。　　二、不同型式隔板的减晃作用和减晃机理　　首先，对带有垂直隔板和对称水平隔板的二维矩形液舱在横荡激励下的晃荡问题进行了数值模拟，分析了隔板的尺寸和位置对减晃效果的影响。计算结果表明，两种型式的隔板均能有效地抑制晃荡幅度，且随着隔板尺寸增大和设置高度增加，减晃作用越明显。之后，对带有不同型式隔板的三维液舱晃荡问题进行了数值计算，并分析了隔板的减晃机理。结果表明，隔板可以阻碍流体的对流运动，隔板末端周围的涡结构和剧烈的水流碰撞可以大幅减小流体的动能，同时隔板也会改变整个系统的共振频率。　　三、多自由度耦合激励下的液舱晃荡问题　　首先，对二维矩形液舱在纵摇和纵荡耦合激励下，两激励运动的相位差对液舱晃荡的影响进行了分析。然后将多自由度耦合激励的液舱晃荡扩展到三维晃荡问题中，针对三维矩形液舱在横摇和纵摇耦合激励下，耦合激励相位差对液舱晃荡的影响进行了分析。最后对三维矩形液舱在六个自由度耦合作用下的液舱晃荡进行了讨论和分析。结果表明，多自由度耦合激励往往会增大液舱晃荡幅度和晃荡产生的拍击压力，不利于船舶的安全运行；合理控制多自由度耦合激励的相位差可以有效减小晃荡幅度。

目录

声明

第一章 绪论

1. 1课题的研究背景和意义

1. 2液舱晃荡的研究进展

1.3本文的主要工作

第二章 液舱晃荡的计算方法

2. 1引言

2.2 MPS方法理论

2.3 MLParticle-SJTU求解器模拟晃荡问题的验证

2. 4本章小结

第三章 激励频率对液舱晃荡的影响

3. 1引言

3. 2激励频率对二维矩形液舱晃荡的影响

3. 3激励频率对三维薄膜型液舱晃荡的影响

3.4激励频率对晃荡力矩的影响

3. 5本章小结

第四章 带隔板的液舱晃荡

4. 1引言

4. 2带隔板的二维液舱晃荡分析

4.3带隔板的三维液舱晃荡分析

4. 4本章小结

第五章 多自由度耦合激励下的液舱晃荡

5. 1引言

5. 2纵荡和纵摇耦合激励下的二维液舱晃荡

5.3横摇和纵摇耦合激励下的三维液舱晃荡

5.4六个自由度耦合激励下的三维液舱晃荡

5. 5本章小结

第六章 总结与展望

6. 1总结

6. 2展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

致谢