波浪作用下船舶運(yùn)動與液艙內(nèi)流體晃蕩的耦合數(shù)值分析.pdf

1、波浪作用于液體船時將導(dǎo)致船舶的運(yùn)動，而船舶的運(yùn)動將激發(fā)其液艙內(nèi)流體的晃蕩，從而對船舶的運(yùn)動產(chǎn)生耦合影響，該耦合效應(yīng)將會使船舶產(chǎn)生較大的力矩，導(dǎo)致船舶的傾覆，或者對液艙側(cè)壁產(chǎn)生較大的沖擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。因此，對波浪作用下船舶運(yùn)動與液艙內(nèi)流體晃蕩的耦合影響進(jìn)行研究是非常必要的。本文基于船舶外部波浪采用勢流理論，液艙內(nèi)部流體晃蕩采用粘性流理論的假設(shè)，建立了波浪作用下船舶運(yùn)動與液艙內(nèi)流體晃蕩的耦合時域數(shù)值模型，其中，內(nèi)外流場相互作用的耦合影響

2、通過船舶運(yùn)動方程實現(xiàn)。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴在船舶外部波浪荷載的計算中，使用高階邊界元的方法進(jìn)行計算，為了克服邊界元方法在解決大尺度物體的水動力分析中效率較低的缺點(diǎn)，建立了預(yù)修正快速傅里葉變換高階邊界元方法提高計算效率。通過對單物體與多物體作用的算例，對該算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證，并與傳統(tǒng)高階邊界元方法計算時間與存儲量進(jìn)行了對比，從而證明了本文方法的高效性。進(jìn)一步對不同未知數(shù)時該方法的計算時間以及本身各步驟計算時間進(jìn)行對比，研究

3、了不同預(yù)修正快速傅里葉變換網(wǎng)格及奇點(diǎn)布置方案對存儲量和計算量的影響，對該方法的計算效率進(jìn)行了分析，并推薦使用基于計算時間最小化原則的預(yù)修正快速傅里葉變換網(wǎng)格及奇點(diǎn)布置方法。
　　⑵對于液艙內(nèi)流體的晃蕩問題，用粘性流體動力學(xué)模型進(jìn)行模擬，其中，自由水面使用VOF方法捕捉，從而滿足液艙內(nèi)流體因強(qiáng)非線性運(yùn)動而帶來的如自由面破碎、氣液混合、破浪沖擊以及能量耗散等復(fù)雜物理現(xiàn)象的模擬需要。在對數(shù)值模型的可靠性、特別是流場求解器和界面捕捉方法的

4、準(zhǔn)確性，以及液艙晃蕩的整體及局部沖擊壓力的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證之后，本文使用該模型對強(qiáng)迫運(yùn)動時帶橫隔板矩形容器內(nèi)自由水面運(yùn)動演化過程進(jìn)行了研究，并特別關(guān)注了流體粘性和能量耗散對流體自由水面晃蕩過程的影響。這些數(shù)值分析將為耦合模型的數(shù)值研究提供指導(dǎo)意義并奠定基礎(chǔ)。
　　⑶基于上述工作，建立了波浪作用下船舶運(yùn)動與液艙內(nèi)流體晃蕩的耦合時域數(shù)值模型，并分別對波浪與矩形浮箱水平晃蕩的耦合問題、波浪與矩形浮箱橫搖晃蕩的耦合問題，以及波浪與LNG船

5、舶三維晃蕩問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過本文數(shù)值結(jié)果與實驗及其他數(shù)值結(jié)果的對比，驗證了本文方法的正確性。此外，針對上述兩組浮箱算例，本文對不同裝載水深下浮箱運(yùn)動、浮箱內(nèi)流體晃蕩作用力、以及其對應(yīng)的時間歷程線進(jìn)行了研究，分析了耦合運(yùn)動時水動力特征及其產(chǎn)生原因。更重要的是，針對波浪作用下LNG船舶三維運(yùn)動與其液艙內(nèi)流體晃蕩耦合作用問題，本文研究了裝載水深、入射波頻率及入射方向時液艙內(nèi)流體晃蕩對船舶整體運(yùn)動響應(yīng)的影響，關(guān)注了不同入射波波高對船舶運(yùn)動