液艙內(nèi)三維液體非線性晃蕩的數(shù)值模擬.pdf

1、晃蕩是一種常見的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，通常發(fā)生在部分裝載液體的液箱中。近年來，載液船舶液艙中的液體晃蕩現(xiàn)象已引起人們的深刻關(guān)注，液體晃蕩載荷與效應(yīng)也已成為航行中載液船舶安全性評(píng)估的重要內(nèi)容之一。本文在對(duì)追蹤自由表面問題及晃蕩問題的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向作了較全面回顧的基礎(chǔ)上，探討了有關(guān)理論、數(shù)值計(jì)算方法，及其在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用。主要完成了以下工作： 1) 對(duì)VOF法中五種主要的界面重構(gòu)技術(shù)，即Hirt-Nichols、Flair、FCT、TVD

2、、Youngs進(jìn)行了比較，根據(jù)基于流體體積方程的不同求解方法在平移場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)場(chǎng)、剪切場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了討論； 2) 建立了二維液體晃蕩的數(shù)學(xué)模型。采用超松馳算法求解流場(chǎng)控制方程，采用Youngs法對(duì)流體體積輸運(yùn)方程進(jìn)行求解； 3)借助流場(chǎng)通度的概念，提出了處理流場(chǎng)內(nèi)具有障礙物的計(jì)算方法； 4)在對(duì)液體晃蕩數(shù)值計(jì)算的邊界條件作了深入討論的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了現(xiàn)有VOF法，使其可處理大幅晃蕩運(yùn)動(dòng)； 5) 建立了一

3、套應(yīng)用Hirt-Nichols法分析三維流場(chǎng)晃蕩的數(shù)值計(jì)算方法。 通過上述工作，得到了下面一些結(jié)論： 1) 本文介紹的五種求解流體體積方程的方法，即Hirt-Nichols、Flair、FCT、TVD、Youngs，屬Youngs法追蹤界面的精度和尖銳度最高； 2) 用Youngs法處理二維液艙的晃蕩問題是可行的； 3) 討論了不同液艙結(jié)構(gòu)形式對(duì)晃蕩的影響，在文中列舉的四種防晃結(jié)構(gòu)中以加設(shè)縱艙壁的防晃效果

4、最好，其次是加設(shè)擋板，加設(shè)T型材不僅沒有制蕩效果反而會(huì)加劇晃蕩的程度； 4) 文本對(duì)現(xiàn)有VOF法速度邊界條件的改進(jìn)，并結(jié)合Youngs法求解流體體積方程，該技術(shù)可以較方便地處理二維運(yùn)動(dòng)界面大幅晃蕩時(shí)出現(xiàn)的翻卷、破碎、合并等情形； 5) 液體粘性越大，晃蕩頻率就相對(duì)降低。外界激勵(lì)的幅值與晃蕩的幅值并非成線性比例的增長(zhǎng)，當(dāng)外部激勵(lì)增加到某一值后，晃蕩砰擊力顯示出其“飽和特性”； 6) 運(yùn)用三維晃蕩理論可以數(shù)值模擬出三