载液船舱流体晃荡时域模拟研究

论文摘要

液舱内流体晃荡问题是水动力学比较经典的问题之一,一直倍受学术界和工程界的关注。随着LNG和LPG等特种液货船型的研制和广泛应用,液体晃荡问题的研究已经成为船舶水动力学中的一个热门课题。针对于船舶液舱内流体晃荡问题的试验研究日本学者开展得较多,如Katsuya Umemoto和Takao Yoshikawa对不同结构的液舱进行过一系列的实验[1];由于存在强烈的非线性自由面现象,理论研究方面进展并不大,理论研究者也尝试采用了多种理论方法,如边界元法,有限元法,以及近年发展较快的计算流体方法等。有限元法和计算流体方法占用大量的计算机资源,计算速度较慢。应用边界元法求解水动力学问题,可以对研究问题进行降低一维来处理,从而对计算机资源要求相对较低,计算速度快,常被用来模拟计算伴有自由面现象的水动力学问题,如Faltinsen等对没有隔板晃荡问题开展的理论研究并进行了试验验证[2],朱仁传等[3]采用了多区域边界元方法对有隔板的时域晃荡问题进行过研究。实际上载液船舱都装有能渗透的隔板,缪国平等[4, 5]试图对有渗透隔板的液舱内流体晃荡现象进行理论研究,但是采用的方法是线性频域的,并不能很好地描述流体晃荡问题的非线性现象。液舱内的隔板相对较薄,采用边界元方法求解带隔板的液体晃荡问题时,其厚度一般忽略不计,在隔板上布置源点时,会出现有些场点与源点相距太近,给格林函数带来了奇性,也会使数值计算产生误差,虽然Nishino等通过对边界元公式进行特殊处理[6],并且引进了薄板边界元方法,但是该方法处理带有可渗透隔板的情形存在一定的困难。针对以上情况,本文提出了利用多域边界元方法对二维和三维带有可渗透隔板的液舱内流体晃荡的非线性时域问题进行计算模拟,所得结果与已发表论文中算例模拟结果吻合良好。通常,我们认为二维的液舱模型等价于宽度趋向于无穷的三维液舱,因为它忽略了沿宽度方向舱壁对液舱内液体晃动的影响。本文讨论了液舱模型的三维效应,为其他学者提供了理论参考。另外,我们模拟了不同宽度,隔板高度和渗透率的液舱模型的晃动现象并且讨论了他们对液舱晃动固有频率的影响。该方法可以进一步应用于载液船舱、减摇水舱等设置不同渗透率隔板的水动力问题的分析,在船舶的减摇、减振等工程应用方面也具有重要意义。另外本文对液舱内的晃荡和船舶之间的耦合运动也做了初步的探讨。液舱内液体的晃荡由船舶运动的激励而产生,反过来由于液体晃荡对舱壁的冲击产生的力又影响到船舶的运动,因此考虑液舱晃荡和船舶运动的耦合作用在船舶设计或者运动控制中起着至关重要的作用。本文对船舶的运动采用切片理论(STF方法)进行模拟,并且通过傅里叶反变换转换到时域范围,对于液舱内的强非线性晃荡问题采用边界元方法进行模拟。船舶运动作为液舱的激励运动,液舱晃荡诱导的力和力矩作为船舶的外力加入船舶的运动方程当中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的意义及目的
• 1.2 液舱内液体晃动现象的研究方法
• 1.2.1 液舱晃荡的研究方法介绍
• 1.2.2 数值计算方法介绍
• 1.3 本文主要工作及创新点
• 1.3.1 本文主要工作
• 1.3.2 本文的创新点
• 第二章 液舱晃荡问题的数学问题
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的选取及运动量的描述
• 2.3 液舱晃荡数学模型及公式推导
• 2.3.1 函数在各个坐标中的相互转化
• 2.3.2 自由面动力学边界条件在坐标系之间的转化
• 2.3.3 自由面运动学边界条件在动坐标系下的表示
• 2.3.4 固壁条件
• 2.4 本章小结
• 第三章 二维带有可渗透隔板的液舱晃荡模拟与研究
• 3.1 引言
• 3.2 数学问题
• 3.2.1 液舱内流场的区域分划
• 3.2.2 方程的求解与多域边界元法的离散处理
• 3.2.3 自由面处理
• 3.2.4 方程（3-2）在边界上离散过程
• 3.2.5 物面条件
• i 上的边界条件'>3.2.6 虚拟界面Γ_i上的边界条件
• 3.2.7 可渗透隔板Г的物面条件
• 3.3 数值算例与分析
• 3.3.1 基于多域边界元方法的液舱流体晃荡模拟计算
• 3.3.2 液舱内置隔板高度及渗透率对晃荡的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维带有可渗透隔板的时域数值模拟及分析
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 自由面条件
• 4.2.2 固壁边界条件
• i 上的边界条件'>4.2.3 虚拟界面Γ_i上的边界条件
• 4.2.4 可渗透隔板边界条件
• 4.3 模型的离散
• 4.4 数值算例
• 4.5 结构对液舱内液体晃动自然频率影响的讨论与分析
• 4.5.1 宽度对液舱内液体晃动自然频率的影响
• 4.5.2 隔板高度对液舱内液体晃动自然频率的影响
• 4.5.3 液舱内隔板渗透率对液舱自然频率的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 无隔板梯形容器及方形容器的时域模拟及分析
• 5.1 引言
• 5.2 数学问题描述
• 5.2.1 自由表面条件
• 5.2.2 固壁边界条件
• 5.3 梯形容器单自由度运动的时域模拟
• 5.3.1 梯形容器尺度及网格划分
• 5.3.2 计算结果分析及对比
• 5.4 方形容器三自由度的时域模拟
• 5.4.1 液舱内液体自由面边界条件
• 5.4.2 固壁条件
• 5.4.3 模型的网格划分示意图
• 5.4.4 计算结果的比较与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 液舱晃荡和船舶运动的耦合
• 6.1 引言
• 6.2 数学问题
• 6.2.1 外部流域相关系数的求解
• 6.2.2 液舱内晃荡的数值模拟
• 6.2.3 耦合运动方程
• 6.3 数值算例
• 6.3.1 船舶运动响应分析
• 6.3.2 船舶运动与液舱内液体晃动耦合效应
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文