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基于VOF方法的液舱流动数值模拟
| 论文题名： | 基于VOF方法的液舱流动数值模拟 |
| 关键词： | 船舶液舱;晃荡现象;两相流场;数值模拟 |
| 摘要： | 液舱广泛存在于液货船和各种需要液体燃料的运载设备中，液舱晃荡又会对液舱的结构及运载设备的运动产生影响，因此有必要对液舱相关的问题进行研究。由于涉及到自由液面的两相流问题是在科学研究和工程实际中广泛遇到的问题，具有重要的研究意义，同时通过模拟液舱内液体运动及相应的压力、载荷变化，为船舶液舱设计提供支持，也具有很大的工程实际应用价值。本文研究的目的就是建立基于VOF方法的不可压缩两相流数值计算模型和程序，以期对液舱流动等两相流问题进行计算分析。 本文建立了互不掺混不可压缩两相流场的数值模型。首先给出了基本控制方程，说明了有限体积法对控制方程的离散过程，并给出了控制方程中每一项的处理方法，其中重点是对流项的离散，通过引入规正变量图对对流项的离散方式进行了评估，选择了合适的离散方式，通过IDEAL算法来处理速度压力耦合问题，并对其实施方式进行了说明，采用Bi-CGSTAB方法对代数方程进行求解。 采用VOF方法解决两相流问题，通过几个典型的算例对不同的VOF方法进行对比分析。在二维情况下通过计算平移、旋转和剪切速度场中的自由液面形变来对六种不同VOF方法进行了对比分析，通过计算表明PLIC方法和CICSAM方法具有高精度和高分辨率，而CICSAM方法更易于向三维扩展，在本文中将CICSAM方法应用于二维和三维数值问题的计算中。 对二维情况下的两相流问题进行了数值计算，并与解析解及试验值进行了对比分析，计算了简单的无激励作用下的液舱自由液面变化和水平激励下的强制液舱晃荡并与解析解进行了对比验证，再对液舱晃荡进行数值模拟并与试验对比，表明本文所使用方法的有效性。对带隔板液舱晃荡问题进行了初步研究，对采用不同高度隔板时的液舱晃荡问题进行了计算分析。 对三维情况下的两相流问题进行了数值计算，并与解析解及试验值进行了对比分析，首先计算了带障碍物溃坝问题并与试验值进行了对比，对斜向液舱晃荡进行了数值模拟并与解析解对比，说明了本文所使用方法对复杂三维两相流问题的有效性。对六自由度激励下液舱剧烈晃荡问题进行了计算分析。 本文所建立的两相流场数值模型和VOF方法是解决复杂两相流问题的有效方法，具有一定的研究意义和应用价值。 |
| 作者： | 郭磊 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 胡健;徐铁军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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