基于VOF和浸入边界法的粘性二相流模型对LNG液舱晃荡的数值模拟

摘要 本文采用基于Volume of Fluid（VOF）方法和浸入边界法的粘性二相流模型对LNG液舱（棱形液舱）的晃荡问题进行数值模拟。粘性二相流模型采用一套控制方程进行处理。整个计算区域为矩形,自由液面的跟踪和更新采用VOF方法,斜边边界的处理考虑用到浸入边界法,把边界以外的当成是固体,在对VOF中的体积分数F的处理时引入通度系数以适应斜边边界。最后模拟得到液舱横荡的运动过程,对研究这一类型的晃荡运动具有参考价值。     

波浪中载液船舶运动的时域模拟

基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程. 该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和黏性流理论,具有较高的计算效率. 研究结果表明：通过数值模拟计算和模型实验,数值模拟计算能够清晰显现液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动响应曲线与模型实验结果吻合良好.     

基于浸入边界法和流体体积法的黏性二相流模型对含障碍物溃坝的数值模拟

采用了一种基于浸入边界法(IBM)和流体体积法(VOF)的黏性二相流的数值模型。基于该模型对带障碍物的溃坝这个经典的问题进行了数值模拟,将数值模拟结果与其他研究者的试验及模拟结果进行了对比分析,验证了该数值模型的有效性和实用性。     

基于高精度Boussinesq方程的三维浅水晃荡数值研究

基于高精度速度势型布西内斯克(Boussinesq)方程对三维液舱内的浅水晃荡现象进行模拟.研究在势流理论框架下进行,总的速度势被分成了两个部分:一部分是在流域内满足拉普拉斯方程且在边界处满足不可穿透条件的特解,而另一部分将由Boussinesq模型求解.数值计算过程中,空间导数离散采用有限差分法,时间步进采用四阶龙格库塔法.首先将三维液舱的长宽比设置为远小于1以模拟二维液舱情况,并与文献的结果对比,验证了数值模型的有效性.三维工况中,各个外部激励频率下,观察到了4种不同的晃荡运动形式,同时在自由面上会观察到相应数量的行进波.此外,讨论了外部激励频率和耦合激励形式对于液舱内晃荡运动形式的影响.     

浮式液化天然气系统液体装载船体的耦合响应

开发了一套分析浮式液化天然气(FLNG)系统中船体运动与液舱晃荡耦合响应的数值模拟程序.该程序基于频域势流理论获得船体的频域水动力系数,并根据脉冲响应理论(IRF)实现船体运动的时域计算;基于势流理论采用边界元法进行液舱晃荡的时域预报;通过迭代计算实现运动与晃荡响应的耦合预报.开展模型试验研究固体、液体装载船体在波浪中的运动响应.结合数值计算结果和试验结果研究晃荡和船体运动的耦合机理,讨论了不同液舱布置形式下的耦合响应变化.结果表明:液舱晃荡会显著改变船体的横荡、横摇运动响应,对垂荡运动影响较小;改变液舱宽度可以减小横摇运动引起的晃荡幅值,而横荡激励的晃荡响应主要与晃荡固有频率有关;液舱垂向位置变化仅改变与横摇模态的耦合响应,与横荡运动的耦合作用不变.     

一种几何VOF方法在液舱晃荡流动模拟中的应用

isoAdvector是一种新的几何VOF (Volume of Fluid)方法,虽然克服了传统几何VOF方法难以适用于三维空间任意多面体网格的缺点,但不能直接用来模拟涉及动网格技术的液舱晃荡.为此,引入了运动通量修正,并提出了面-界面交线运动修正,使得修正后的isoAdvector方法可以应用到液舱晃荡的模拟中.基于不同的VOF方法对非共振、共振受迫晃荡和单次冲击波面进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果以及解析解进行了比较.结果表明:相对于代数VOF方法,采用修正后的isoAdvector方法获得的自由液面位置和整体水动力载荷精度更高;捕捉的波面没有褶皱,能够较好地模拟波面的翻卷和破碎.此外,提出了界面厚度的估计方法,分析了自由液面波高精度提高的原因.     

三维菱形液舱剧烈晃荡和共振频率数值研究

为了预报真实液化天然气(LNG)船液舱的共振频率,采用基于直角网格的三维多相流模型,模拟了不同充液水深和激励频率的菱形液舱剧烈晃荡问题.该数值模型采用时间半隐式有限差分法在交错直角网格上求解不可压缩两相流Navier-Stokes(N-S)方程,采用径向基函数虚拟网格法(RBFGCM)处理不规则舱壁结构和,用三维梯度增量水平集(GALS)方法捕捉强非线性自由表面.基于该模型,模拟了横摇激励下的菱形液舱晃荡问题,满意的网格和时间收敛性验证了该方法的高精度和可靠性.而且,不同充液水深下本文冲击压力和波浪爬高结果与实验数据较好地吻合,捕捉到了剧烈的晃荡波浪现象如波浪翻卷.进一步研究了不同水深下舱壁局部位置压力幅值与激励频率之间的关系,确定了菱形液舱共振频率,以期为LNG液舱的结构设计提供理论参考.     

基于非均质多相流模型的液舱晃荡数值模拟

应用非均质多相流模型对不同装载率和激励频率下矩形液舱的横摇晃荡运动进行了数值模拟.分析了液体重心的横向和纵向运动情况,计算了不同工况下自由液面形状与速度场分布以及舱壁测点处压力的时间历程和相应的功率谱密度.模拟结果与均质模型计算结果和试验结果的对比分析验证了非均质模型在模拟液舱晃荡时的优越性.     

基于SPH方法的二维矩形舱液体晃荡数值研究

储液舱内液体晃荡是当外激激励频率与容器内部液体自由液面的固有频率接近时,液体产生的剧烈共振运动.采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在二维矩形舱低载液率横荡和横摇激励下,自由液面共振频率附近4个激励频率处开展数值研究.对比数值和对应实验中全局自由液面波形和冲击压力时程发现,SPH方法可以很好地模拟液体晃荡时的波形,如水跃、破碎波等自由液面的大变形运动.此外,该方法可用于模拟和评估非共振区域晃荡荷载的特性.建议采用两相流来模拟共振频率下液体剧烈的晃荡运动.     

舱内晃荡对船舶横摇影响的数值分析

利用两相流模型对带自由面的流动问题进行了数值模拟,计算了舱内水体晃荡对水舱横摇运动的影响。利用计算流体力学软件ＣＦＸ－４,模拟了舱体大幅横摇时水的晃荡、翻卷和重入,通过对不同的舱内水深、不同摇幅的水舱强迫和自由晃荡问题的数值计算,发现舱内水深对晃荡力矩有重要影响,在给定的计算频率下,浅水的影响比深水更大。     

速度突变情况下液化天然气船液舱内晃荡问题的仿真

主要研究了液化天然气(LNG)船在突然变速情况下液舱内晃荡问题.基于计算流体力学软件,采用VOF (volume-of-fluid)法对舱室内液体晃荡问题进行了仿真研究,描述了液体发生晃荡时自由液面的变化、流体质点的运动轨迹和速度矢量、流场内压强的分布,计算了晃荡对船体结构反作用力随时间的变化规律,在此基础上提出了降低晃荡的构想--在舱室合理位置加设合适的阻流板,并进行了对比分析.     

基于FLUENT的不同内部结构液舱晃荡抑制分析

船舶液舱晃荡是一种常见的流体运动现象,通常发生在部分充满液体的液舱中,诸多工程实际应用往往会涉及到液体晃荡问题;当液舱与船体运动发生耦合,将使船体运动加剧甚至倾覆,运用Fluent6.3模拟了液舱在不同内部结构下的液舱晃荡抑制效果,提出了晃荡在激励下的变化规律以及抑制晃荡的改进措施。     

基于流体体积法和浸入边界法的粘性二相流模型对带障碍物溃坝的数值模拟

本研究提出了一种基于浸入边界法（IBM）和流体体积法（VOF）的粘性二相流的数值模型。其中,IBM用于处理流体中的固体边界的影响,VOF用来捕捉自由液面。由于自由液面处流体的密度和粘性系数是变化的,所以,在流场控制方程中将密度和粘性系数也当作变量来处理。基于该模型,对带障碍物的溃坝这个经典的问题进行了数值模拟,并将数值模拟结果与其他研究者的试验及模拟结果进行了对比分析,验证了该数值模型的有效性和实用性。     

11000DWT液货船耦合运动响应研究

大型液货船液舱具有宽度较大、装载深度高的特征,在波浪作用下产生的液舱晃荡将影响船体的运动。本文基于势流理论,应用SESAM水动力分析软件在频域范围内对11 000 DWT液货船进行了耦合运动响应研究,对比分析了考虑液货晃荡与不考虑液货晃荡条件下的船舶运动响应,对比分析了液货装载率对船舶运动响应的影响规律研究。     

HSX型规整填料流体力学的CFD研究

通过多尺度方法,对HSX填料进行计算流体力学(CFD)模拟,得到了局部平均液膜厚度、气液有效润湿面积及全塔压降等数据。其中,通过建立二维和三维流体体积(VOF)两相流模型,分别计算了不同气液速度对液膜厚度及有效接触面积的影响。最终模拟压降结果与实验结果吻合性较高,表明CFD可以作为设计、改良填料的有效工具。     

基于格子Boltzmann方法和有限体积法的方柱绕流特性对比分析

基于黏性流体理论,分别采用格子Boltzmann方法(LBM)和有限体积法(FVM)建立了黏性流场中方柱绕流模型。探究LBM在非光滑曲面钝体绕流方面的应用;并结合FVM进行对比分析。在FVM模型中,采用局部加密的方法对钝体边界进行处理,而在LBM模型中,除了传统的Half-way边界处理方法,还结合了拐角边界处理方法。为获得较好的可对比数据,根据已发表文献中的理论及UDF编译码技术,分别对两模型的进出口边界条件进行了讨论和设置。对比分析了两模型下的速度云图以及获得的升、阻力系数,Strouhal数。结果发现方柱上游压力不受涡脱落影响,雷诺数对其影响也较小;两种方法下的速度、无量纲参数吻合较好;但两者最适进出口边界不同,且相同条件下,LBM比FVM数值模拟能更快达到稳定状态。     

大型油船液舱晃荡载荷与结构响应研究现状分析

大型油船在海上航行遇到恶劣的海况,并由此经受剧烈的晃荡载荷,船体运动引起的燃油晃荡运动及其对液舱结构的抨击问题越来越受到研究和设计者们的重视。尤其是燃油货舱在部分装载的情况下,大幅晃荡引起的抨击压力对舱室结构可能造成严重的破坏。液体晃荡一旦船舶失稳或是结构遭到破坏,所带来的不仅是经济上的损失,更伴随着环境的污染,危及人员的生命安全。因此,很有必要找到一套方法来对液舱晃荡与液舱结构的耦合作用进行模拟和分析,准确的计算出液体晃荡对结构产生的作用力。     

棱形液舱内液体晃荡问题的SPH数值模拟

应用改进的SPH方法模拟棱形液舱在不同充液比、横摇激励频率工况下的液体晃荡行为。该方法能模拟出液体大幅度非线性晃荡产生的翻卷、破碎等现象,模拟结果与实验结果吻合较好。通过改变舱体结构,对带有隔板的棱形液舱进行数值模拟,分析隔板对液体晃荡特性的影响。结果表明:充液比及激励频率对液体的晃荡特性有重要影响,且适当改变箱体结构可以有效地抑制晃荡现象。     

矩形舱内三层液体晃荡特性的数值分析

采用耦合水平集和流体体积(CLSVOF)界面捕获方法对浮式生产储卸油(FPSO)装置矩形清洗舱内三层液体的晃荡特性进行数值分析;通过对比数值模拟与试验所得矩形舱内三层液体的液-液界面形状和高度的变化情况,验证了CLSVOF方法模拟多层液体晃荡特性的准确性.结果表明,多层液体晃荡过程中出现的物理现象远比传统单层液体晃荡中的复杂.当矩形舱外部激励频率等于液-液界面的最低阶固有频率时,所产生的共振效应不仅会导致液-液界面的晃荡幅度远大于自由表面的晃荡幅度,而且会导致液-液界面产生Kelvin-Helmholtz不稳定性.     

液舱流体晃荡的模型试验

液舱晃荡问题是近年来液货船设计中十分关注的课题之一,它涉及到自由液面的大幅度运动等一系列非线性问题,因此在理论上具有较大的难度,试验研究显得至关重要．文中对已有针对船舶与海洋工程领域的典型液舱晃荡模拟试验进行了简要的总结,并提出了今后应考虑的几个问题．