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原文传递舱室内液体晃荡的数值模拟及其与船体运动耦合作用的研究

论文题名：	舱室内液体晃荡的数值模拟及其与船体运动耦合作用的研究
关键词：	液体晃荡;船体运动;数值模拟;耦合作用;液化天然气船
摘要：	近年来,以液化天然气船(LNGC)为代表的液货船成为重要的海上运输装备。该类液货船在海上航行时,受海浪作用会产生船体摇荡运动,由于具有大体积的液舱,因此会引起液舱晃荡现象。在恶烈海况下,大幅船舶摇荡运动所引发的液体剧烈晃荡,会对液舱结构产生砰击,造成局部结构损坏,甚至还会恶化耐波性能严重影响运营作业安全。因此,开展液舱晃荡及其与船体的耦合运动研究就具有实际工程应用价值。　　据此,本论文着重研究四个方面的问题:液舱晃荡的液面大变形现象模拟及其砰击压强计算;带防晃结构液舱的晃荡现象模拟,以及防晃结构效能对比分析;基于PIV技术的液舱晃荡流场测量及其模拟分析;液舱晃荡与船体的耦合运动模拟分析。　　针对上述问题,本论文所开展的主要工作具体如下: 　　一、三维液舱晃荡运动控制方程及其数值计算方法　　考虑到不同的晃荡激励形式,建立了三维液舱晃荡运动的控制方程,基于直角有限差分网格,对控制方程进行了数值离散,并采用超松弛高斯-赛德尔迭代法进行了速度和压强耦合求解。　　二、三维液舱晃荡的PLIC-VOF方法数值模拟　　基于直角有限差分网格,根据方向分裂算法以及Lagrange对流计算法求解流体体积分数控制方程,并结合控制方程的数值解法,发展了自由表面重构的PLIC-VOF法,并应用于模拟三维液舱的剧烈晃荡问题。　　三、液舱晃荡的CLSVOF方法数值模拟　　基于PLIC-VOF方法,考虑及Level-set方法隐式跟踪自由表面的性能,引入Level-set函数确定自由表面法向,结合 PLIC-VOF良好的质量守恒性能,实现了PLIC-VOF方法与Level-set方法耦合的CLSVOF数值方法,并应用于液舱剧烈晃荡模拟等问题。　　四、三维通度系数法结合PLIC-VOF法模拟带防晃结构的液舱晃荡问题　　引入三维通度系数法,并修改了流动的控制方程,结合直角网格的PLIC-VOF方法,实现了三维带不同型式防晃结构的液舱晃荡数值模拟,并通过局部液面和压强时历对比探讨了防晃效果。　　五、基于PIV技术的液舱晃荡流场精细测量与模拟　　合理设计液舱及其平面运动机构,由伺服系统控制运动机构在直线方向的速度时历,考虑液舱的不同装载水平,设定共振频率下的横荡运动激励,应用PIV技术进行液舱晃荡流场的精细测量以及波形观察分析。应用PLIC-VOF方法,进行了液舱晃荡流场的数值模拟,以及PIV试验结果对比分析。　　六、液舱晃荡的WC-MPS方法数值模拟　　基于流体弱可压缩假定,提出了基于Tait状态方程的弱可压缩移动粒子半隐式法(WC-MPS)。该方法通过直接计算流体状态方程来快速获取流场压强,而没有求解计算耗时的压强Poisson方程,并应用该方法模拟了剧烈晃荡的自由表面大变形现象。　　七、波浪中液舱晃荡与船体摇荡的耦合作用数值模拟　　考虑到液舱晃荡与船体运动的耦合作用,建立了液货船的耦合运动方程,结合内流场粘性流体PLIC-VOF方法,确定液舱晃荡作用力以及力矩,由外流场二维切片方法确定波浪中船体频域水动力系数及波浪载荷,采用Newmark-β法进行耦合运动方程的时域求解,实现波浪中船体运动的数值模拟。　　本论文研究的创新性可以总结为以下三个方面: 　　一、三维通度系数法结合PLIC-VOF方法模拟带防晃结构液舱的晃荡问题　　基于三维通度系数法表达流场中的固体相,并修改流动的控制方程,与三维PLIC-VOF方法相结合,实现了带防晃结构的三维液舱晃荡模拟。　　二、直角网格CLSVOF数值方法模拟液舱剧烈晃荡问题　　基于PLIC-VOF方法的良好质量守恒性能,考虑及Level-set方法隐式跟踪自由表面的性能,针对每一时间步的Level-set函数重新初始化,由PLIC-VOF重构自由表面,通过确定邻近网格到自由表面网格的最近距离,进行 Level-set函数的重新初始化,实现了耦合的CLSVOF数值方法,并应用于液舱剧烈晃荡模拟。　　三、基于弱可压缩假定的WC-MPS方法模拟液舱剧烈晃荡问题　　鉴于传统不可压缩移动粒子半隐式法( Fully Incompressible-MPS)通过求解Poisson方程获取压强,计算低效而耗时,因此基于流体弱可压缩假定,选用流体的Tait状态方程直接而快速求解流场压强,建立了弱可压缩移动粒子半隐式法(Weakly Compressible-MPS),并应用于模拟剧烈晃荡问题。
作者：	刘永涛
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	马宁
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文