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原文传递波浪作用下船舶运动与液舱内流体晃荡的耦合数值分析

论文题名：	波浪作用下船舶运动与液舱内流体晃荡的耦合数值分析
关键词：	船舶摇摆;液舱晃荡;流体力学;耦合分析
摘要：	波浪作用于液体船时将导致船舶的运动，而船舶的运动将激发其液舱内流体的晃荡，从而对船舶的运动产生耦合影响，该耦合效应将会使船舶产生较大的力矩，导致船舶的倾覆，或者对液舱侧壁产生较大的冲击，导致结构的破坏。因此，对波浪作用下船舶运动与液舱内流体晃荡的耦合影响进行研究是非常必要的。本文基于船舶外部波浪采用势流理论，液舱内部流体晃荡采用粘性流理论的假设，建立了波浪作用下船舶运动与液舱内流体晃荡的耦合时域数值模型，其中，内外流场相互作用的耦合影响通过船舶运动方程实现。主要研究内容包括：　　⑴在船舶外部波浪荷载的计算中，使用高阶边界元的方法进行计算，为了克服边界元方法在解决大尺度物体的水动力分析中效率较低的缺点，建立了预修正快速傅里叶变换高阶边界元方法提高计算效率。通过对单物体与多物体作用的算例，对该算法的准确性进行了验证，并与传统高阶边界元方法计算时间与存储量进行了对比，从而证明了本文方法的高效性。进一步对不同未知数时该方法的计算时间以及本身各步骤计算时间进行对比，研究了不同预修正快速傅里叶变换网格及奇点布置方案对存储量和计算量的影响，对该方法的计算效率进行了分析，并推荐使用基于计算时间最小化原则的预修正快速傅里叶变换网格及奇点布置方法。　　⑵对于液舱内流体的晃荡问题，用粘性流体动力学模型进行模拟，其中，自由水面使用VOF方法捕捉，从而满足液舱内流体因强非线性运动而带来的如自由面破碎、气液混合、破浪冲击以及能量耗散等复杂物理现象的模拟需要。在对数值模型的可靠性、特别是流场求解器和界面捕捉方法的准确性，以及液舱晃荡的整体及局部冲击压力的准确性进行了验证之后，本文使用该模型对强迫运动时带横隔板矩形容器内自由水面运动演化过程进行了研究，并特别关注了流体粘性和能量耗散对流体自由水面晃荡过程的影响。这些数值分析将为耦合模型的数值研究提供指导意义并奠定基础。　　⑶基于上述工作，建立了波浪作用下船舶运动与液舱内流体晃荡的耦合时域数值模型，并分别对波浪与矩形浮箱水平晃荡的耦合问题、波浪与矩形浮箱横摇晃荡的耦合问题，以及波浪与LNG船舶三维晃荡问题进行了数值模拟，通过本文数值结果与实验及其他数值结果的对比，验证了本文方法的正确性。此外，针对上述两组浮箱算例，本文对不同装载水深下浮箱运动、浮箱内流体晃荡作用力、以及其对应的时间历程线进行了研究，分析了耦合运动时水动力特征及其产生原因。更重要的是，针对波浪作用下LNG船舶三维运动与其液舱内流体晃荡耦合作用问题，本文研究了装载水深、入射波频率及入射方向时液舱内流体晃荡对船舶整体运动响应的影响，关注了不同入射波波高对船舶运动振幅、液舱内流体晃荡作用力，以及液舱内流体运动形态的影响，对上述问题的水动力特性进行了研究，并详细分析了所出现物理现象的产生机理。最后，本文还对液舱内部各特征点的局部冲击压力进行了研究，并与不使用耦合分析时局部冲击压力的计算结果进行了对比，为工程设计提供参考。
作者：	姜胜超
专业：	港口、海岸及近海工程
导师：	滕斌;吕林
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文