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.     

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。     

LNG独立C型液舱晃荡特性试验研究

与LNG运输船不同,LNG加注船的液舱会经常处于部分装载状态,故液舱晃荡问题必须予以考虑.由于目前LNG加注船主要采用独立C型液舱,针对该种形式液舱,使用模型试验,系统研究了不同载液高度、激励频率及激励幅值影响下的晃荡情况.讨论分析了其晃荡时自由液面的波形特征,对中间液深工况下,自由液面在舱顶的影响下出现的波形进行分类.通过对晃荡荷载的统计分析,发现产生最大荷载的激励频率与理论固有频率有所偏差,且该偏差会随着液位的升高而降低.此外,在荷载空间分布方面,载液高度为0.6 D_i(D_i为模型液舱直径)时,自由液面在封头处破碎严重,会对液舱封头上部产生较大冲击;而在0.8 D_i载液高度时,应充分考虑0.8f_n(f_n为理论固有频率)至1.2f_n激励区间内的顶部冲击荷载.     

有限液深下弹性侧壁液舱内晃荡共振特性实验研究

对有限液深下,弹性侧壁矩形液舱内液体晃荡的共振特性进行了物理模型实验研究.通过扫频实验给出了不同液深和激励振幅下舱内液体的最低阶固有频率.自由液面形状和高度经由影像采集与分析系统得到,通过压力和应变采集系统分别得到作用在舱壁上的晃荡压力和舱壁的应变.对有限液深下弹性侧壁液舱内自由液面波形进行了描述,同时在时域和频域范围内对自由液面高度、晃荡压力和结构应变的共振变化特性进行了分析,并且对弹性侧壁液舱内结构应变的时间变化特性和空间分布特性做了进一步的研究和讨论.结果表明:晃荡压力和结构应变波峰处均出现双峰,压力和应变频谱受双峰的影响较大;在顶盖舱壁上,距顶角不远位置处更容易出现较大的应变.     

基于CLSVOF方法的两层液体晃荡数值模拟

采用CLSVOF界面捕获方法对矩形舱两层液体晃荡问题进行了数值研究.首先,开展了数值自由衰减测试,验证线性势流理论得到的系统固有频率的准确性,并根据固有频率的计算值确定了模拟工况.然后,探讨了外部激励频率稍微偏离系统固有频率时,液液界面出现的拍频现象.最后,对比了计算和试验得到的液液界面形状以及高度时间历程,验证CLSVOF方法在模拟两层液体晃荡时的准确性.研究结果表明:数值方法可用于计算两层液体系统的固有频率并研究两层液体的晃荡特性;当液舱外部激励频率稍微偏离系统的固有频率时,液液界面也会像自由表面一样出现拍频现象,拍频波的频率取决于系统的固有频率以及液舱激励频率,频率值为二者差的绝对值.     

不同海浪谱激励下矩形液舱内液体晃荡试验研究

在振动台上试验研究了矩形液舱在宽频带Bretschneider谱与窄频带JONSWAP谱分别激励下的随机晃荡自由液面波特性及其对液舱内壁的冲击压力分布规律,并详细讨论了两种海浪谱作用下自由液面高程最大值及动态压力最大值随谱峰周期和有效波高的变化关系.研究发现相同有效波高、谱峰周期条件下,Bretschneider谱激励下的液体晃荡比JONSWAP谱激励下的液体晃荡更为剧烈.自由液面高程频域分析表明两种海浪谱作用下的自由液面波形状主要受液舱最低固有频率调制,晃荡波能量主要集中在液舱最低固有频率上,且液舱内各测点处的最大动态压力从液舱底部到自由液面处依次增大.     

调频振子-液体联合水平减振的流固耦合机理研究

为了解决晃荡液体在大幅值的水平加速度激励下不再具有稳定自由晃荡频率且无法满足调频条件而导致减振能力明显下降的问题,提出了一种将调频振子置入晃荡液体中构成联合系统的减振方法。采用分离求解隐式耦合的方法对忽略结构阻尼的联合系统衰减结构振动进行了数值模拟,计算结果表明,联合系统能够在保持振子共振吸能的基础上充分利用液体晃荡对振动能量进行耗散,具有优于单纯调频质量减振或晃荡液体减振的性能。联合系统在液体晃荡时的减振作用优于液体无法晃荡时的情况;液体自由晃荡频率远离振动频率有助于振子保持共振吸能能力。在共振的容器中和振子的激励下液体晃荡具有强烈的耗能作用,这是联合系统减振的主要机理。根据这一机理,在保证振子共振和增强液体耗能作用的思路下对联合系统进行了优化,优化后联合系统即使忽略结构阻尼,阻尼比也可达到5.6%。     

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.     

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.     

液体晃荡压力分布规律OpenFOAM模拟研究

利用振动台试验数据对基于开源程序OpenFOAM建立的液体晃荡模型进行了验证．利用验证后的数值模型研究了液体深度与液舱长度比为0.15和0.33两种工况下,矩形液舱在不同频率下的液体晃荡压力分布规律．冲击压力最大值及其均方差对频率的响应曲线显示液体深度与液舱长度比为0.33时比0.15时更容易发生剧烈的晃荡现象．不同液体深度的晃荡冲击压力对频率的响应曲线呈现不同的规律：对浅水晃荡来说,压力最大值随着频率的增大先缓慢增大后快速减小;对有限水深晃荡来说,压力最大值随着频率的增大先快速增大后缓慢减小．晃荡压力沿舱壁的垂向分布规律表明最大冲击压力位于自由液面稍上处,并且位于最大冲击压力位置之下的压力沿舱壁的分布规律均可以拟合为二次多项式形式．     

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.     

非满载罐体液体冲击等效机械模型参数确定

为了获得指定罐体形状和充液比条件下的钟摆模型参数值,采用类比分析方法推导了钟摆摆线长度参数和液体冲击频率的关系;采用假设和类比分析相结合的方法推导了钟摆小球质量参数和液体冲击力的关系.在此基础上,借助不同仿真条件下的液体自由振荡FLUENT软件仿真结果拟合得到钟摆模型参数关于罐体形状和充液比的多项式函数.FLUENT仿真和钟摆模型数值计算获得的液体冲击力绕罐体上某点的力矩表明：本文提出的方法能够获得精确的钟摆模型参数值,模型参数的拟合值与实际值的误差均在±4%范围内.     

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。     

Nonlinear phenomena of three-dimensional liquid sloshing in microgravity environment

In astronautic engineering, propellant sloshing, i.e. the oscillatory motion of a liquid propellant in a mov- ing container, is a subject of great importance[1―17]. Sloshing has an unfavorable influence on spacecraft stability and may disturb the flight …     

基于SPH方法的液体晃动数值模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟研究贮液容器中带有自由表面的液体晃动问题.应用密度对比法捕捉自由表面粒子,并采用边界排斥力法与镜像粒子相结合的方法处理固体边界.计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及外部激励下的一阶模态晃动,得到了自由液面的波动和监测断面上的压强分布.将计算结果与理论值以及前人的实验数据对比表明,光滑粒子动力学方法作为一种无网格法,能较好地模拟带有自由液面的液体晃动问题.     

垂直隔板开孔率对液体晃荡影响的试验

为了研究垂直隔板开孔率对液体晃荡特性的影响,采用六自由度运动模拟平台,在外激励频率为0.8～1.2倍无隔板液舱一阶固有频率范围内,对安装不同开孔率垂直隔板的矩形液舱开展了一系列晃荡试验.试验结果表明:不同外激励频率作用下开孔率为0.1的开孔隔板在减小液体最大晃荡波高和部分位置的最大冲击压强等方面优于无孔隔板;开孔隔板抑...     

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。     

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。