文档介绍：摘要
液舱内三维液体非线性晃荡的数值模拟
摘要
晃荡是一种常见的流体运动现象,通常发生在部分装载液体的液箱中。近年来,
载液船舶液舱中的液体晃荡现象已引起人们的深刻关注,液体晃荡载荷与效应也已成
为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一。本文在对追踪自由表面问题及晃荡问
题的现状及发展动向作了较全面回顾的基础上,探讨了有关理论、数值计算方法,及
其在复杂系统中的应用。主要完成了以下工作:
1) 对 VOF 法中五种主要的界面重构技术,即 Hirt-Nichols、Flair、FCT、TVD、
Youngs 进行了比较,根据基于流体体积方程的不同求解方法在平移场、旋转场、剪
切场的数值模拟结果进行了讨论;
2) 建立了二维液体晃荡的数学模型。采用超松驰算法求解流场控制方程,采用
Youngs 法对流体体积输运方程进行求解;
3)借助流场通度的概念,提出了处理流场内具有障碍物的计算方法;
4)在对液体晃荡数值计算的边界条件作了深入讨论的基础上,改进了现有 VOF
法,使其可处理大幅晃荡运动;
5) 建立了一套应用 Hirt-Nichols 法分析三维流场晃荡的数值计算方法。
通过上述工作,得到了下面一些结论:
1) 本文介绍的五种求解流体体积方程的方法,即 Hirt-Nichols、Flair、FCT、TVD、
Youngs,属 Youngs 法追踪界面的精度和尖锐度最高;
2) 用 Youngs 法处理二维液舱的晃荡问题是可行的;
3) 讨论了不同液舱结构形式对晃荡的影响,在文中列举的四种防晃结构中以加
设纵舱壁的防晃效果最好,其次是加设挡板,加设 T 型材不仅没有制荡效果反而会
加剧晃荡的程度;
4) 文本对现有 VOF 法速度边界条件的改进,并结合 Youngs 法求解流体体积方
程,该技术可以较方便地处理二维运动界面大幅晃荡时出现的翻卷、破碎、合并等情
形;
5) 液体粘性越大,晃荡频率就相对降低。外界激励的幅值与晃荡的幅值并非成
线性比例的增长,当外部激励增加到某一值后,晃荡砰击力显示出其“饱和特性”;
6) 运用三维晃荡理论可以数值模拟出三维刚性液舱内粘性液体的晃荡问题。
关键词:VOF 法;液舱;二维液体晃荡;自由液面;三维液体晃荡
I
Abstract
Numerical Simulation of 3-D Liquid Nonlinear Sloshing in Tank
Abstract
Sloshing is a monly observed in liquid motions. It usually happens in
a partially filled liquid tank in movement. Recently, Liquid sloshing phenomenon in liquid
tanks mounted on ships has attracted people’s much attention and the sloshing loads and
effects have e one of the important aspects of the safety evaluation of a sailing liquid
cargo ship. Based on prehensive review of the state of the art and the tendency for
future advances in the field of liquid sloshing mechanics, the related theory, the numerical
computational method and its application to plicated dynamic system are discussed in
the paper. The major works are as follows.
1) Five typical techniques of VOF method, namely Hirt-Nichols, Flair, FCT, TVD,
Youngs, pared with each other. Their advantages and disadvantages are discussed
based on the results of numerical solutions of VOF equation in the flow of translation,
rotation and shear.
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