详情

原文传递液舱晃荡非线性动力学行为研究

论文题名：	液舱晃荡非线性动力学行为研究
关键词：	液货船;液舱晃荡;粘性效应;流固耦合;非线性动力学
摘要：	晃荡是工程领域中一种常见的流体运动现象，比如非满载航行的液货船、地震中的储液罐及行驶中的油罐车等。晃荡可能在自由面附近引起强烈的冲击载荷，造成舱壁结构的局部破坏或者屈服，进而影响液舱结构极限强度。影响晃荡载荷的因素较多，诸如激励频率及其幅值、液体粘性、装载率以及晃荡过程中结构与流体相互作用。因此，无论从解析方法、数值方法还是试验方法角度出发，深入、全面地开展晃荡压力预报及其影响因素的研究具有重要的工程意义。　　针对上述提到的问题，本文具体地开展了以下研究工作：　　(1)采用商业CFD代码FLUENT，通过数值模拟研究不同的湍流模型（κ-ε模型、κ-ω模型及Reynolds stress模型）对晃荡压力的影响，并通过与试验数据的对比分析，总结出用于数值计算的合理的湍流模型。　　(2)从流体力学连续性方程及N-S方程，推导出边界层厚度表达式，定量地研究了舱内流体在边界层内、外由于液体粘性耗散所引起的能量耗散比。针对附加有边界层网格及无边界层网格的数值计算模型，研究了边界层对晃荡压力的影响并得出边界层内的液体粘性耗散效应对晃荡压力有重要影响。因此，本文提出了一个附加有边界层网格的计算模型可以更加有效地预报晃荡压力，且计算结果得到了相应的晃荡模型试验验证。　　(3)针对具有代表性的棱柱形液舱及矩形液舱，分别建立附加有边界层网格的二维及三维计算模型，采用κ-ε湍流模型，开展了液舱三维效应对晃荡压力影响的研究。　　(4)晃荡引起的冲击压力及其上升时间对舱壁结构的动力响应起着至关重要的作用，而此两参数与液体粘性有关。基于此，设计了不同粘性、相同密度的四种液体，进行了晃荡模型试验及相应的数值计算，定量地研究了液体粘性对冲击载荷及其上升时间的影响；针对高粘性流体晃荡，分析了冲击压力附近压力信号高频振动的原因是由于气泡特征振动所引起。　　(5)共振状态下的晃荡载荷预报是液舱设计的控制因素，但是其载荷的数值预报耗时、模型试验的经济成本高。基于线性势流理论，本文研究了晃荡压力与激励幅值及激励频率的关系，构造出对于不同的激励幅值及装载率工况在共振状态下半解析的晃荡冲击压力预报公式，并借助于模型试验及数值计算对晃荡冲击压力预测公式的合理性进行论证。　　(6)晃荡问题的流固耦合数值计算，无论采用强耦合还是弱耦合算法，其计算规模极其庞大。本文基于弹簧-质量力学模型及考虑舱壁弹性变形，针对矩形液舱提出一个简化的力学模型来处理计及流固耦合效应的晃荡问题。分析了舱壁弯曲刚度及装载率对耦合系统模态的影响以及质量点对舱壁弯矩的贡献，并通过流固耦合代码ADINA的计算结果及相关文献中的数据验证了该力学模型的合理性。　　本文的主要创新点归纳如下：　　(1)提出精细预报晃荡压力的数值模型，即：基于推导的边界层厚度表达式所建立的附加有边界层网格的计算模型采用κ-ε湍流模型能更加有效地预报晃荡压力。此数值模型为晃荡问题的数值建模提供指导性建议。　　(2)通过数值模拟及模型试验，系统地研究了液体粘性对冲击压力及其上升时间的影响。结果表明，液体的高粘性不仅使得晃荡压力显著降低，上升时间显著增加，而且从自由液面裹挟大量气体进入晃荡液体中形成气泡，气泡的特征振动使得冲击载荷附近产生高频振动。这些结论对于舱壁结构在液体冲击载荷下的动力响应计算提供重要的参考价值。　　(3)基于线性势流理论，构造出共振状态下半解析的晃荡压力预测公式。其意义在于通过给定少数几种共振状态下的晃荡冲击压力值即可预测其它共振工况下的晃荡冲击压力。　　(4)基于弹簧-质量力学模型，提出一个考虑到舱壁弹性变形的简化的力学模型以期处理计及流固耦合效应的矩形液舱晃荡问题。该模型的意义在于极大的降低了流固耦合数值计算的规模。
作者：	邹昶方
专业：	船舶与海洋工程
导师：	王德禹
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文