波浪作用下船舶運(yùn)動(dòng)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(shí)將導(dǎo)致船舶的運(yùn)動(dòng)，而船舶的運(yùn)動(dòng)將激發(fā)其液艙內(nèi)流體的晃蕩，從而對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生耦合影響，該耦合效應(yīng)將會(huì)使船舶產(chǎn)生較大的力矩，導(dǎo)致船舶的傾覆，或者對(duì)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(duì)波浪作用下船舶運(yùn)動(dòng)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(shì)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(dòng)與液艙內(nèi)流體晃蕩的耦合時(shí)域數(shù)值模型，其中，內(nèi)外流場(chǎng)相互作用的耦合影響

2、通過(guò)船舶運(yùn)動(dòng)方程實(shí)現(xiàn)。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、旁诖巴獠坎ɡ撕奢d的計(jì)算中，使用高階邊界元的方法進(jìn)行計(jì)算，為了克服邊界元方法在解決大尺度物體的水動(dòng)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(jì)算效率。通過(guò)對(duì)單物體與多物體作用的算例，對(duì)該算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)高階邊界元方法計(jì)算時(shí)間與存儲(chǔ)量進(jìn)行了對(duì)比，從而證明了本文方法的高效性。進(jìn)一步對(duì)不同未知數(shù)時(shí)該方法的計(jì)算時(shí)間以及本身各步驟計(jì)算時(shí)間進(jìn)行對(duì)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(duì)存儲(chǔ)量和計(jì)算量的影響，對(duì)該方法的計(jì)算效率進(jìn)行了分析，并推薦使用基于計(jì)算時(shí)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。
　?、茖?duì)于液艙內(nèi)流體的晃蕩問(wèn)題，用粘性流體動(dòng)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(mǎn)足液艙內(nèi)流體因強(qiáng)非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)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(duì)數(shù)值模型的可靠性、特別是流場(chǎng)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(yàn)證之后，本文使用該模型對(duì)強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)時(shí)帶橫隔板矩形容器內(nèi)自由水面運(yùn)動(dòng)演化過(guò)程進(jìn)行了研究，并特別關(guān)注了流體粘性和能量耗散對(duì)流體自由水面晃蕩過(guò)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)。
　?、腔谏鲜龉ぷ?，建立了波浪作用下船舶運(yùn)動(dòng)與液艙內(nèi)流體晃蕩的耦合時(shí)域數(shù)值模型，并分別對(duì)波浪與矩形浮箱水平晃蕩的耦合問(wèn)題、波浪與矩形浮箱橫搖晃蕩的耦合問(wèn)題，以及波浪與LNG船

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