本文關(guān)鍵詞：艙室內(nèi)液體晃蕩的數(shù)值模擬及其與船體運(yùn)動(dòng)耦合作用的研究

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【摘要】：近年來(lái)，以液化天然氣船（LNGC）為代表的液貨船成為重要的海上運(yùn)輸裝備。該類液貨船在海上航行時(shí)，受海浪作用會(huì)產(chǎn)生船體搖蕩運(yùn)動(dòng)，由于具有大體積的液艙，因此會(huì)引起液艙晃蕩現(xiàn)象。在惡烈海況下，大幅船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的液體劇烈晃蕩，會(huì)對(duì)液艙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生砰擊，造成局部結(jié)構(gòu)損壞，甚至還會(huì)惡化耐波性能嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)作業(yè)安全。因此，開(kāi)展液艙晃蕩及其與船體的耦合運(yùn)動(dòng)研究就具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。 據(jù)此，本論文著重研究四個(gè)方面的問(wèn)題：液艙晃蕩的液面大變形現(xiàn)象模擬及其砰擊壓強(qiáng)計(jì)算；帶防晃結(jié)構(gòu)液艙的晃蕩現(xiàn)象模擬，以及防晃結(jié)構(gòu)效能對(duì)比分析；基于PIV技術(shù)的液艙晃蕩流場(chǎng)測(cè)量及其模擬分析；液艙晃蕩與船體的耦合運(yùn)動(dòng)模擬分析。 針對(duì)上述問(wèn)題，本論文所開(kāi)展的主要工作具體如下： 一、三維液艙晃蕩運(yùn)動(dòng)控制方程及其數(shù)值計(jì)算方法 考慮到不同的晃蕩激勵(lì)形式，建立了三維液艙晃蕩運(yùn)動(dòng)的控制方程，基于直角有限差分網(wǎng)格，對(duì)控制方程進(jìn)行了數(shù)值離散，并采用超松弛高斯-賽德?tīng)柕ㄟM(jìn)行了速度和壓強(qiáng)耦合求解。 二、三維液艙晃蕩的PLIC-VOF方法數(shù)值模擬 基于直角有限差分網(wǎng)格，，根據(jù)方向分裂算法以及Lagrange對(duì)流計(jì)算法求解流體體積分?jǐn)?shù)控制方程，并結(jié)合控制方程的數(shù)值解法，發(fā)展了自由表面重構(gòu)的PLIC-VOF法，并應(yīng)用于模擬三維液艙的劇烈晃蕩問(wèn)題。 三、液艙晃蕩的CLSVOF方法數(shù)值模擬 基于PLIC-VOF方法，考慮及Level-set方法隱式跟蹤自由表面的性能，引入Level-set函數(shù)確定自由表面法向，結(jié)合PLIC-VOF良好的質(zhì)量守恒性能，實(shí)現(xiàn)了PLIC-VOF方法與Level-set方法耦合的CLSVOF數(shù)值方法，并應(yīng)用于液艙劇烈晃蕩模擬等問(wèn)題。 四、三維通度系數(shù)法結(jié)合PLIC-VOF法模擬帶防晃結(jié)構(gòu)的液艙晃蕩問(wèn)題 引入三維通度系數(shù)法，并修改了流動(dòng)的控制方程，結(jié)合直角網(wǎng)格的PLIC-VOF方法，實(shí)現(xiàn)了三維帶不同型式防晃結(jié)構(gòu)的液艙晃蕩數(shù)值模擬，并通過(guò)局部液面和壓強(qiáng)時(shí)歷對(duì)比探討了防晃效果。 五、基于PIV技術(shù)的液艙晃蕩流場(chǎng)精細(xì)測(cè)量與模擬 合理設(shè)計(jì)液艙及其平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由伺服系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在直線方向的速度時(shí)歷，考慮液艙的不同裝載水平，設(shè)定共振頻率下的橫蕩運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，應(yīng)用PIV技術(shù)進(jìn)行液艙晃蕩流場(chǎng)的精細(xì)測(cè)量以及波形觀察分析。應(yīng)用PLIC-VOF方法，進(jìn)行了液艙晃蕩流場(chǎng)的數(shù)值模擬，以及PIV試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。 六、液艙晃蕩的WC-MPS方法數(shù)值模擬 基于流體弱可壓縮假定，提出了基于Tait狀態(tài)方程的弱可壓縮移動(dòng)粒子半隱式法（WC-MPS）。該方法通過(guò)直接計(jì)算流體狀態(tài)方程來(lái)快速獲取流場(chǎng)壓強(qiáng)，而沒(méi)有求解計(jì)算耗時(shí)的壓強(qiáng)Poisson方程，并應(yīng)用該方法模擬了劇烈晃蕩的自由表面大變形現(xiàn)象。 七、波浪中液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合作用數(shù)值模擬 考慮到液艙晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)的耦合作用，建立了液貨船的耦合運(yùn)動(dòng)方程，結(jié)合內(nèi)流場(chǎng)粘性流體PLIC-VOF方法，確定液艙晃蕩作用力以及力矩，由外流場(chǎng)二維切片方法確定波浪中船體頻域水動(dòng)力系數(shù)及波浪載荷，采用Newmark-β法進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)域求解，實(shí)現(xiàn)波浪中船體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬。 本論文研究的創(chuàng)新性可以總結(jié)為以下三個(gè)方面： 一、三維通度系數(shù)法結(jié)合PLIC-VOF方法模擬帶防晃結(jié)構(gòu)液艙的晃蕩問(wèn)題 基于三維通度系數(shù)法表達(dá)流場(chǎng)中的固體相，并修改流動(dòng)的控制方程，與三維PLIC-VOF方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了帶防晃結(jié)構(gòu)的三維液艙晃蕩模擬。 二、直角網(wǎng)格CLSVOF數(shù)值方法模擬液艙劇烈晃蕩問(wèn)題 基于PLIC-VOF方法的良好質(zhì)量守恒性能，考慮及Level-set方法隱式跟蹤自由表面的性能，針對(duì)每一時(shí)間步的Level-set函數(shù)重新初始化，由PLIC-VOF重構(gòu)自由表面，通過(guò)確定鄰近網(wǎng)格到自由表面網(wǎng)格的最近距離，進(jìn)行Level-set函數(shù)的重新初始化，實(shí)現(xiàn)了耦合的CLSVOF數(shù)值方法，并應(yīng)用于液艙劇烈晃蕩模擬。 三、基于弱可壓縮假定的WC-MPS方法模擬液艙劇烈晃蕩問(wèn)題 鑒于傳統(tǒng)不可壓縮移動(dòng)粒子半隱式法（Fully Incompressible-MPS）通過(guò)求解Poisson方程獲取壓強(qiáng)，計(jì)算低效而耗時(shí)，因此基于流體弱可壓縮假定，選用流體的Tait狀態(tài)方程直接而快速求解流場(chǎng)壓強(qiáng)，建立了弱可壓縮移動(dòng)粒子半隱式法（WeaklyCompressible-MPS），并應(yīng)用于模擬劇烈晃蕩問(wèn)題。
【關(guān)鍵詞】：液體晃蕩 船體運(yùn)動(dòng) 數(shù)值模擬 耦合作用
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U674.133.3;U661
【目錄】：

• 附件5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-32
• 1.1 研究背景和意義15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀綜述15-16
• 1.3 液艙晃蕩的研究進(jìn)展16-25
• 1.3.1 勢(shì)流方法16-17
• 1.3.2 粘流數(shù)值方法17-23
• 1.3.3 晃蕩實(shí)驗(yàn)研究23-25
• 1.4 液體晃蕩與船舶運(yùn)動(dòng)的耦合作用研究25-28
• 1.4.1 內(nèi)外流場(chǎng)勢(shì)流方法25-26
• 1.4.2 外流場(chǎng)勢(shì)流加內(nèi)流場(chǎng)粘流 CFD 的混合方法26-27
• 1.4.3 液體晃蕩運(yùn)動(dòng)與船舶運(yùn)動(dòng)的耦合作用實(shí)驗(yàn)研究27-28
• 1.5 本文研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)28-32
• 1.5.1 本文研究目的28
• 1.5.2 本文研究?jī)?nèi)容28-29
• 1.5.3 本文創(chuàng)新點(diǎn)29-30
• 1.5.4 本文研究技術(shù)路線30-32
• 第二章 液艙晃蕩的 PLIC-VOF 方法模擬32-52
• 2.1 液體晃蕩的控制方程32-33
• 2.2 邊界條件33-34
• 2.3 數(shù)值計(jì)算模型34-39
• 2.3.1 計(jì)算網(wǎng)格34-35
• 2.3.2 控制方程的數(shù)值解法35-37
• 2.3.3 速度和壓強(qiáng)的迭代求解37-39
• 2.3.4 數(shù)值穩(wěn)定條件39
• 2.4 自由表面的 PLIC-VOF 重構(gòu)39-44
• 2.5 PLIC-VOF 方法算例驗(yàn)證44-45
• 2.5.1 潰壩模擬算例44-45
• 2.6 PLIC-VOF 方法晃蕩模擬算例45-51
• 2.6.1 水平簡(jiǎn)諧橫蕩激振下的液體晃蕩45-47
• 2.6.2 簡(jiǎn)諧橫搖激振下的液體晃蕩47-49
• 2.6.3 共振橫蕩激勵(lì)下大幅晃蕩自由表面模擬49
• 2.6.4 共振橫蕩激勵(lì)下大幅晃蕩壓強(qiáng)模擬49-51
• 2.7 本章小結(jié)51-52
• 第三章 液艙晃蕩的 CLSVOF 方法模擬52-71
• 3.1 LEVEL-SET 方法52-54
• 3.1.1 概述52
• 3.1.2 符號(hào)距離函數(shù)定義52-53
• 3.1.3 符號(hào)距離函數(shù)初始化53-54
• 3.2 控制方程和重新初始化方程的求解54-56
• 3.2.1 空間導(dǎo)數(shù)離散54-55
• 3.2.2 時(shí)間導(dǎo)數(shù)離散55-56
• 3.3 LEVEL-SET 方法求解流動(dòng)問(wèn)題的基本流程56
• 3.4 CLSVOF 方法56-60
• 3.5 CLSVOF 方法驗(yàn)證算例60-65
• 3.5.1 Zalesak 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)問(wèn)題60-61
• 3.5.2 不帶自由表面氣泡運(yùn)動(dòng)問(wèn)題61-63
• 3.5.3 帶自由表面氣泡運(yùn)動(dòng)問(wèn)題63-64
• 3.5.4 潰壩問(wèn)題64-65
• 3.6 CLSVOF 方法模擬晃蕩算例65-70
• 3.6.1 低裝載水平橫蕩共振晃蕩液面模擬65-66
• 3.6.2 橫蕩共振晃蕩壓強(qiáng)計(jì)算66-67
• 3.6.3 橫搖共振晃蕩壓強(qiáng)計(jì)算67-70
• 3.7 本章小結(jié)70-71
• 第四章 帶防晃結(jié)構(gòu)液艙晃蕩的通度系數(shù)法模擬71-87
• 4.1 通度基本概念71-72
• 4.2 流動(dòng)控制方程修正72
• 4.3 二維 PLIC-VOF 結(jié)合通度系數(shù)法模擬潰壩算例72-74
• 4.4 二維 PLIC-VOF 結(jié)合運(yùn)動(dòng)通度系數(shù)法模擬共振晃蕩算例74-75
• 4.5 三維 PLIC-VOF 結(jié)合通度系數(shù)法模擬液艙晃蕩75-86
• 4.6 本章小結(jié)86-87
• 第五章 液艙晃蕩流場(chǎng)的 PIV 測(cè)量與數(shù)值模擬87-101
• 5.1 PIV 系統(tǒng)基本構(gòu)成87-89
• 5.1.1 激光器88
• 5.1.2 示蹤粒子88
• 5.1.3 高速 CCD 相機(jī)88-89
• 5.1.4 同步器89
• 5.1.5 圖像處理設(shè)備89
• 5.2 液艙晃蕩試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r89-91
• 5.2.1 液艙模型90
• 5.2.2 平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)90
• 5.2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r90-91
• 5.3 液艙晃蕩數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比91-100
• 5.4 本章小結(jié)100-101
• 第六章 液艙晃蕩的 WC-MPS 方法模擬101-118
• 6.1 MPS 方法概述101
• 6.2 MPS 計(jì)算模型101-105
• 6.2.1 流動(dòng)控制方程101-102
• 6.2.2 核函數(shù)選取102
• 6.2.3 粒子密度計(jì)算102
• 6.2.4 梯度算子模型102-103
• 6.2.5 Laplacian 算子模型103
• 6.2.6 控制方程的數(shù)值解法103-105
• 6.2.7 自由表面判別105
• 6.2.8 固體邊界條件105
• 6.3 二維 MPS 方法驗(yàn)證算例105-111
• 6.3.1 潰壩模擬 1105-108
• 6.3.2 潰壩模擬 2108-109
• 6.3.3 水下楔塊下滑興波模擬109-110
• 6.3.4 Scott Russell 孤立波模擬110-111
• 6.4 三維 MPS 方法驗(yàn)證算例111-114
• 6.4.1 潰壩模擬 1112-113
• 6.4.2 潰壩模擬 2113-114
• 6.5 MPS 方法模擬晃蕩算例114-116
• 6.5.1 低裝載液艙晃蕩液面模擬對(duì)比114-115
• 6.5.2 低裝載液艙晃蕩壓強(qiáng)模擬對(duì)比115-116
• 6.6 本章小結(jié)116-118
• 第七章 液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合運(yùn)動(dòng)研究118-139
• 7.1 切片理論118-119
• 7.1.1 坐標(biāo)系118-119
• 7.1.2 船舶遭遇頻率與波面方程119
• 7.2 船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)方程119-122
• 7.2.1 船體縱向切片上的流體載荷120-122
• 7.2.2 船舶運(yùn)動(dòng)方程122
• 7.2.3 船舶橫搖阻尼的確定122
• 7.3 液艙晃蕩與船體搖蕩的耦合運(yùn)動(dòng)方程122-124
• 7.3.1 船體縱向切片上的波浪載荷123
• 7.3.2 船體液艙晃蕩載荷123-124
• 7.3.3 液艙晃蕩與船體搖蕩耦合運(yùn)動(dòng)方程124
• 7.4 液艙晃蕩與船體搖蕩耦合運(yùn)動(dòng)方程求解方法124-126
• 7.4.1 耦合方程時(shí)域求解124-125
• 7.4.2 耦合方程求解流程125-126
• 7.5 液艙晃蕩與船體搖蕩耦合運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介126-129
• 7.5.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>126-128
• 7.5.2 規(guī)則波中船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)128-129
• 7.6 耦合運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)值模擬對(duì)比129-138
• 7.6.1 壓載船模試驗(yàn)結(jié)果與切片理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比129-131
• 7.6.2 耦合船模試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比131-133
• 7.6.3 多液艙晃蕩影響數(shù)值模擬結(jié)果133-138
• 7.7 本章小結(jié)138-139
• 第八章 全文總結(jié)139-142
• 8.1 主要結(jié)論139-141
• 8.2 研究展望141-142
• 參考文獻(xiàn)142-156
• 致謝156-157
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文157

【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：835672