《基于改进vof法的棱形液舱液体晃荡分析及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于改进vof法的棱形液舱液体晃荡分析及应用（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上海交通大学 硕士学位论文 基于改进VOF法的棱形液舱液体晃荡分析及应用 姓名：沈猛 申请学位级别：硕士 专业：工程力学 指导教师：唐文勇 20080101 基于改进基于改进 VOF 法的棱形液舱液体晃荡分析及应用 摘 法的棱形液舱液体晃荡分析及应用 摘 要要 本文全面概述了液舱晃荡的工程背景和国内外液体晃荡研究方 法进展；针对传统 VOF 数值方法模拟棱形液舱晃荡在处理复杂边界 时计算效率低下、收敛性差的问题，采用部分单元参数法对其进行 改进，并对棱形液舱模型在不同充装水平、不同横摇激励周期条件 下进行数值模拟，计算了舱内自由液面运动历程和复杂舱壁附近各 点冲击压力历程，并与实验结果进行了比
2、较，得到与实验结果相一 致的结论；同时通过网格敏感性分析，也证明了改进的 VOF 方法有 良好的收敛性；最后，采用 Morison 方程对 LNG 液舱泵塔晃荡载 荷进行计算分析。 本文主要研究工作内容如下： 1、采用部分单元参数概念，对传统的 VOF 方法进行改进，使 得改进 VOF 法能够处理边舱斜板等复杂的棱形液舱边界； 2、采用一种新的网格自由表面速度边界处理方法，解决了改进 VOF 法在处理复杂边界时候的不稳定性； 3、采用 Morison 方程，利用改进 VOF 法晃荡运动计算结果， 对 LNG 泵塔结构晃荡载荷和强度进行分析。 关键词：关键词：VOF 法，液体晃荡，部分单元参数，
3、棱形液舱，LNG 泵塔 Abstract 上海交通大学硕士学位论文 Abstract In the beginning, the Paper gives a brief review of the sloshing problems in engineering and sloshing analysis methods. In order to improve the compution efficiency and the precision at the boundaries of the original VOF method when simulating the sloshing
4、on prismatic tanks, the partial cell parameter is introduced to improve the original VOF method in the paper. Then using the improved VOF method simulates the sloshing on the prismatic tank model with different filling levels and stimulating periods, and the free surface height history and pressure
5、histories at different points of the tank model are obtained, the agreeable conclusion can be drawn from the comparison between the results of simulation and experiment data. The cell sensibility test also approves that the cell refinement has little effect on the precision of the improved VOF metho
6、d. At last, the Morison equation is adopted to analyze the sloshing load on the pump tower in the LNG tank. The main contents are as follows: 1) The partial cell parameter is introduced to improve the original VOF method, so that it can treat the complex boundaries such as bottom side plates in pris
7、matic tank liquid sloshing analysis. 2) A new hybrid method of exploitations and continuous condition is employed, which eliminates the instability of the improved VOF method Abstract 上海交通大学硕士学位论文 in some cells. 3) The numerical simulation results of the improved VOF method and Morison equation is a
8、dopted to study the sloshing loads on the pump tower structure in the LNG liquid tanks. KEY WORDS: VOF method, liquid sloshing, partial cell parameter, prismatic tank, LNG pump tower 80 上海交通大学 学位论文原创性声明 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写
9、过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 沈猛 日期： 2008 年 01 月 20 日 81 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论
10、文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：沈猛 指导教师签名： 唐文勇 日期：2008 年 01 月 20 日 日期：2008 年 01 月 20 日 第一章 绪论 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 背景 近年来，由于 LNG、LPG 等特殊用途船舶和超大油轮的出现，引起人们对 舱内液体晃荡的关注。多个新兴市场的出现，要求此类液货船能够适应部分装 载工况，而部分装载工况将导致更为严重的液货舱晃荡问题，需要对晃荡载荷 进行进一步的考虑，由其引起的液舱以及内部构件的强度和疲劳等问题也越来 越受到重视。 一般来讲，LNG 船通常在满载和压载状态下航行。
11、其中，在压载工况中， 为了保证液货舱内一定的低温，仍有一定量的 LNG 留下来。对于这两个工况， LNG 船液货舱的一般装载水平是满载时大于 95和压载时小于 10的货舱高 度。在薄膜型 LNG 船的早期设计中，LNG 液货舱的绝缘箱在高装载率的情况 下也发生过细小的破坏。这样类似的损坏现在在低装载率的情况下也有报道。 当然，在压载工况下，作为其它空舱的冷却源，第一货舱的液货充装高度被限 制在 1520以避免损坏的出现1。 船级社、货物维护系统的设计人员和船东通过对这些损坏的分析，认识到 液体晃荡是引起这些损坏的主要原因。为了防止 LNG 船在压载工况（主要是系 统制冷情况）下出现严重的晃荡冲
12、击，对 LNG 液货舱的装载率作了限制，即必 须小于 10的货舱高度。如果能做到这一点，那么目前 LNG 液货舱下部实际 的结构设计就能有效地抵抗晃荡冲击载荷，充分保证结构安全。 近年来， 对薄膜型 LNG 船提出了新的建造要求。 由于多个新兴市场的出现， 要求 LNG 船能够适应部分装载工况。薄膜型 LNG 船是经济性较高 LNG 船型 （较半球型的高） 。在以往的结构损坏事故中，发生在部分装载工况中的低装载 率条件下，泵塔结构因受到较大的晃荡冲击载荷而导致损坏。所以，必须对薄 膜型 LNG 船在部分装载工况中晃荡载荷和该冲击载荷作用下的泵塔等结构强度 进行研究分析，以保证船舶营运安全。 第
13、一章 绪论 上海交通大学硕士学位论文 2 1.2 液舱晃荡特点 晃荡(Sloshing)是指两种或两种以上互不相溶流体(一般是液体与气体)，在 有限空间内的运动，其特点是存在可自由移动的自由液(界)面2。航行中的液货 船(如 LNG、LPG 及原油货轮)、飞行中的火箭液体燃料舱、地震时核反应炉和 水库等储液系统中流体的运动均是此类例子。 液体晃荡载荷定义为作用于液货舱边界以及内部构件压力的动态放大，其 值比仅仅从静态条件考虑的压力值要大3。对于液货舱而言，液货舱尺度、内 部加强构件是不变的，给定具体充装高度，液体的共振周期也就确定下来了， 如果液体共振周期被船舶运动所激励，将会产生非常大的压力
14、放大。 液舱晃荡是由舱室的几何形状、内部构件、液体充装高度、舱室的运动决 定的。但是晃荡还会受到其他因素的影响，比如液体属性（密度，粘性） 、气垫 效应、碎波和飞溅等。最大的晃荡压力通常出现在静态自由液面和垂直舱壁的 交界处、水平加强筋和垂直舱壁的交界处以及舱室顶部斜角处4。液货舱晃荡 载荷研究的目的是在给定的充装高度，液货舱在船舶中的位置，以及船舶的装 载条件下，计算船舶生命周期内最大的设计晃荡载荷。 1.2.1 液舱四种晃荡运动 当液货舱晃动的时候，由于装载深度和摆动周期不同会产生不同的晃荡波 浪，因装载深度和激励条件的不同会产生无限种液体运动模式。主要有四种最 为常见的舱室晃荡现象：驻波
15、、行进波、水跃和组合波，当然还有漩涡、飞溅 等强非线性现象。 驻波驻波 流体质点的运动本质上是垂向的，表面只有一个或者多个节点，没有垂向 表面位移产生。驻波一般发生在/0.2 ls FL （ l F为液体充装高度； s L为在规则运 动方向上有效水平自由液面长度）的时候，而且主要对液货舱顶部产生很大的 冲击压力，如图 1-1 所示。 第一章 绪论 上海交通大学硕士学位论文 3 图1-1 液舱内驻波现象 Fig.1-1 the standing wave in the liquid tank 行进波行进波 行进波没有驻波现象中的节点，主要特征是有一列波，其波峰在垂直舱壁 之间来回运动，行进波一般发生在/0.2 s F L = + + n ji u时，有 ()() ()() 1 1/2, 1 ,1,1/2, 1/2, ,1, , max, min max max,0.0 , n ADij nnn i jijFADij ij nnn i jijFi j n i j F ut FFFut F FFFy Fy + + + + + + = (2.21) 式中，1）当网格中没有自由表面时， n jiAD FF , =,如图 2-6
