二维矩形液舱内液体晃荡的数值模拟

论文摘要

船舶液体晃荡问题逐渐成为载液货船结构设计过程中面临的一个共性问题,尤其是在大型原油货轮(VLCC)、液化石油气船(LPG)及液化天然气船(LNG)等液货船的开发与应用上表现的尤为突出。部分装满液体的容器,当外界激励的频率接近容器内液体的固有频率或者激励的振幅非常大时,很容易引起剧烈的晃荡,进而对容器壁或者顶盖产生剧烈的冲击压力,从而造成结构的破坏。因此,在载液货船的研发设计中,液舱晃荡分析是一项非常重要的研究课题。液体晃动是非常复杂的流体运动现象,它具有高度的非线性和随机性,是典型的流固耦合问题。影响晃荡的因素很多,如：外界激励频率与振幅、液体装载率、液体属性、液舱的形状、尺寸及刚度、内部构件等。本文运用有限元软件ADINA对二维矩形液舱内粘性液体的液体晃荡进行仿真模拟,分别研究了刚性和弹性液舱内不同激励幅值、不同激励频率对液体晃荡的影响,主要工作内容如下：首先,基于ADINA软件建立了纵荡激励下二维矩形液舱内液体晃荡的数值模型,计算了该液舱模型内液体晃荡的固有频率,分析了液舱内不同工况下自由液面的波动情况,并与Faltinsen的解析解进行对比,验证了该模型的有效性。其次,采用该模型分析了刚性液舱内不同激励幅值、不同激励频率对液体晃荡的影响,得到了舱内自由液面运动的时间历程和液体对左侧舱壁作用力的影响。最后,分析了二维矩形弹性液舱内不同壁厚、不同频率对液体晃动的影响,得到弹性液舱内液体晃荡的固有频率、液舱结构内有水和无水时的振动频率、舱内液体的自由液面波高历时曲线和液体晃荡引起的结构响应特性,并就自由液面运动曲线和结构位移曲线进行了傅里叶变换(FFT),得到了不同频率下液体晃荡的频谱特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势
• 1.2.1 论研究
• 1.2.2 数值模拟
• 1.2.3 模型实验
• 1.2.4 流固耦合
• 1.3 存在的问题及本文的主要工作
• 2 二维矩形液舱液体晃荡数学模型的建立
• 2.1 ADINA软件介绍
• 2.2 基本假定
• 2.3 控制方程
• 2.3.1 结构运动基本方程
• 2.3.2 流体域内N-S方程和连续方程
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 流固耦合面接触面上的边界条件
• 2.4.2 流体自由表面条件
• 2.5 流固耦合求解
• 2.5.1 流固耦合系统方程
• 2.5.2 流固耦合方程求解
• 2.6 本章小结
• 3 刚性液舱内液体晃荡的数值模拟
• 3.1 二维矩形刚性液舱模型
• 3.2 刚性液舱内液体晃荡固有频率分析
• 3.3 ADINA模型验证
• 3.3.1 Faltinsen理论解
• 3.3.2 ADINA数值解与Faltinsen理论解的比较
• 3.4 激励振幅对液体晃荡的影响
• 3.5 激励频率对液体晃荡的影响
• 3.5.1 激励频率对自由液面波高位移的影响
• 3.5.2 激励频率对液舱舱壁作用力的影响
• 3.6 本章小结
• 4 弹性液舱内液体晃荡的数值模拟
• 4.1 二维矩形弹性液舱模型
• 4.2 弹性液舱内液体晃荡固有频率分析
• 4.3 液舱内结构振动分析
• 4.4 弹性液舱内晃荡液体的自由液面运动
• 4.4.1 激励频率对弹性液舱内自由液面运动的影响
• 4.4.2 弹性液舱内自由液面运动的频谱分析
• 4.5 弹性液舱结构的运动
• 4.5.1 激励频率对弹性液舱结构节点位移的影响
• 4.5.2 弹性液舱结构节点位移的频谱分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 二维矩形液舱液体晃荡的仿真模拟计算流程
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢