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SHANGHAISHIPBUILDING上海造船2010年第2期(总第82期)船舶液舱晃荡研究进展陆志妹,范佘明(708研究所,上海200011)摘要:全面综述了液舱晃荡的工程背景和国内外船舶液舱晃荡的研究方法及发展动向。概述了基于VOF法、Level-set法、SPH法、ALE法的液舱晃荡研究进展,以及每种方法的优缺点。最后介绍了国内外用于晃荡研究的实验装置。关键词:液舱晃荡;共同结构规范(CSR);油船中图分类号:U661.1文献标识码:A文章编号:1005-9962(2010)02-0014-03Abstract:Theengineeringbackgroundandtheresearchmethodsanddevelopmentofshiptankliquidsloshingarereviewed.TheresearchadvancesbasedonthemethodsofVOF,Level-set,SPHandALE,andtheadvantagesanddisadvantagesofeachmethodarebrieflysummarized.Theexperimentalfacilitiesofsloshingresearchintheworldareintroduced.Keywords:tankliquidsloshing;commonstructuralrules(CSR);doublehulloiltanker0前言液货船(VLCC,LNG,LPG等)在波浪中航行,舱内的液体会发生晃荡现象。常见的液舱晃荡现象有:驻波、行进波、水跃和组合波,还有漩涡、飞溅等强非线性现象。强烈的晃荡直接导致严重的海损污染事件,因此载液货船的安全问题受到各界的关注和重视,液舱的晃荡问题成为载液货船结构设计过程中的一个关键。2006年4月1日,国际船级社协会(IACS)颁布的《双壳油轮结构共同规范》正式生效。共同结构规范(CSR)[1]规定:针对有效晃荡宽度小于0.56B(B为型宽),有效晃荡长度小于0.13L(L为计算船长)的常规液舱,必须根据本规范进行晃荡冲击载荷和结构强度的评估。与以往各船级社规范相比,CSR倡导的是对油船的结构设计更安全、更全面的规范体系。但其不利结果是增加了船体结构重量,从而导致载重量的减小和建造成本的增加,因此势必带来新一轮的船型开发。CSR中明确提出了晃荡和冲击载荷的概念,并且给出了基于晃荡和冲击载荷的结构评估。第一作者简介:陆志妹,女,工程师,1982年生。2007年上海交通大学船舶与海洋结构物设计制造专业毕业,现从事船舶耐波性研究。1常用的数值分析方法对于液舱晃荡的研究早期是建立在线性势流基础上的理论研究。随着研究的深入,计算机技术的发展,使数值分析成为研究液舱晃荡问题的重要手段。液舱晃荡问题是典型的流固耦合问题,涉及到如何描述液体的流动以及跟踪自由表面的方法等。液体流动的描述方法有欧拉法、拉格朗日法及任意拉格朗日—欧拉法(ALE)。欧拉法是通过描述空间中每一点上流体运动随时间的变化获得整个流体的运动状况,其网格位置在空间固定不动,着眼于空间点。鉴于欧拉网格不能自动跟踪边界的移动,产生了跟踪自由表面的方法,如标高法、MAC法、VOF法和Level-Set法等。而拉格朗日法是描述每个流体质点自始至终的运动过程,通过获得流场内所有质点的运动规律来分析整个流体运动的状况,着眼于流体质点。基于拉格朗日观点的无网格法有SPH法等。任意拉格朗日-欧拉法(ALE)综合了上述两种方法的优点,可以根据流场局部的特性安排网格运动,使网格更适合于流场的求解。离散控制方程的方法有有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱法等。针对该领域的研究已经发展的多种数值技术和方法,朱仁庆和娜日萨对其作了比较全面的综述[2,3]。船舶液舱晃荡研究进展152基于VOF法的液舱晃荡研究VOF(Volume-of-Fluid)法是由Debar提出,Hirt和Nichols[4]等完善的,其基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数来确定自由面,追踪流体的变化。VOF法是处理界面流动欧拉模型中常用的方法,在处理界面出现破碎等拓扑变化时,具有显著优势,在海洋工程、生物流体工程等领域得到广泛应用。祁江涛[5]采用VOF法对液舱晃荡进行数值模拟,结合动网格技术,针对二维矩形舱、三维立方体舱和薄膜型舱进行了计算。朱仁庆[2,6]等对现有VOF法的速度边界条件进行了改进,避免了数值模拟大幅晃荡运动时,由于速度边界条件的不合适而导致数值计算的不收敛问题,使改进的VOF法可以模拟大幅晃荡运动。端木玉[7]在此基础上引入通度系数概念,计算分析不同液舱结构形式对液体晃荡的影响。沈猛等[8,9]采用部分单元参数概念改进传统的VOF方法,引入了一种混合自由表面边界速度条件的基本原理,使得改进VOF法能够处理具有边舱斜板等复杂边界的棱形液舱液体晃荡问题,有效解决了棱形液舱中液体沿底边舱的流动以及冲击压力的计算问题。3基于Level-set法的液舱晃荡研究1988年,Osher,S.和Sethian,J.A.[10]提出采用Level-set法捕捉界面,该方法隐式跟踪运动界面,克服了一般波面跟踪方法难以处理复杂物质界面及其发生拓扑结构变化的弱点,将边界面的特征(如法向、曲率等)隐含在Level-set函数中,精确描述界面。Sussman[11],袁德奎[12]等利用这一方法在自由表面追踪方面获得成功。方智勇等[13,14]尝试将Level-set方法应用于液体晃荡的研究,首先在势流假定下模拟了释放初始液面引起的自由晃荡,并将液面波动的数值结果与理论解析解进行比较;然后模拟了二维矩形液箱作简谐横摇运动引起的液体受迫晃荡,将计算结果与实验结果进行定量比较;初步结果表明采用Level-set方法研究液体晃荡现象是可行的。黄广茂[15]在上述工作的基础上,改进边界条件,对大幅晃荡引起的砰击压强进行计算,与试验结果的比较验证了其正确性;同时,借助水弹性力学理论,建立了晃荡液体与弹性液舱相互耦合作用的数学模型。4基于SPH法的液舱晃荡研究光滑质点水动力学(smoothedparticlehydrodynamics,SPH)方法是由Lucy和Gingold等1977年首先提出的,该方法无需生成网格,是纯粹的无网格拉格朗日型粒子法,对特大变形区域和自由表面的捕捉有较高精度。Landrini等[16]用SPH法对二维矩形液舱的横荡运动进行了模拟,给出了波面图及波高随时间变化的曲线。SoutoIglesias[17]用SPH法对液舱晃荡所产生的力矩幅值进行计算。崔岩[18],陈正云[19]基于SPH法对二维液舱晃荡进行数值模拟。通过这些研究表明,SPH法对自由表面的翻卷、破碎等强非线性现象的模拟可以达到较高的精度。在此基础上,郑兴[20]详细阐述了SPH法的基本理论和计算方法,在了解SPH方法的理论特点和潜在优势的同时,也为相关问题的深入研究和改进奠定了理论和算法基础。5基于ALE法的液舱晃荡研究任意拉格朗日—欧拉坐标系统(ArbitraryLagrangian-Euler,ALE)实际上是拉格朗日坐标系和欧拉坐标系的组合,其独立于材料和有限元网格区域的坐标系统,有限元的网格和材料允许在该坐标系统下可任意移动[21]。由于拉格朗日法和欧拉法这2种经典的描述方法各有长短,这就促使人们把这2种方法结合起来使用。ALE方法正是由此而逐渐发展完善起来并应用到有限元分析中的[22],并且非常适用于求解含自由液面的液体大幅晃动问题[23]。岳宝增[24]在数值模拟粘性流体的大幅晃荡时采用了ALE迎风有限元方法,结果表明此法比经典的ALE分步有限元方法精度更高,稳定性更好。娜日萨[3]在研究VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估方法时,也采用ALE耦合方法处理液舱晃荡的流固耦合问题。周宏[25]等利用ALE有限元方法进行了充液刚体的耦合动力学仿真。6液舱晃荡测试技术1995年,Shinkai等[26]对矩形舱作了一系列模型试验,舱中设置了各种隔板,试验结果表明:T型防荡隔板的效果最好。1998年,郜焕秋和谢楠[27]通过试验研究了液舱内水体晃荡对船舶横摇的影响。16上海造船2010年第2期王德禹[28,29]就船舶及海洋工程领域中液体晃荡试验研究状况作了介绍。国外的晃荡装置主要有:1)美国Webb造船研究所的晃荡试验装置,具有纵摇和横摇2个基本运动,主要测试流体对液舱内部结构的作用和对液舱边界的压力;2)TexasA&M大学的晃荡试验装置,具有横摇(或纵摇)和升沉2个运动的平台,主要观察晃荡的物理现象,为晃荡分析提供验证数据,检验各种晃荡阻尼器的有效性,对阻尼器提出建议;3)挪威DNV船舶运动模拟装置,具有6个基本运动,主要研究运动激励的技术和数据处理,液舱横舱壁的晃荡载荷,甲板横梁长边界的晃荡载荷;4)日本船舶研究所的晃荡装置,可模拟纵摇、横摇、横荡和升沉4种基本运动,主要研究中等尺度LNG船的晃荡特性,晃荡运动较大;5)法国BV和比利时Liege大学的晃荡装置,可模拟纵摇、横摇和升沉3种基本运动。国内研制的运动模拟装置,主要用于船舶运动的仿真。如:1)青岛海军潜艇学院的6自由度液舱运动仿真器;2)哈尔滨工程大学的6自由度船舶运动模拟系统;3)中国船舶科学研究中心的3轴运动仿真器,主要用于对运动系统和自动控制系统的仿真研究,对船用控制系统进行调试和最佳参数的选定;4)上海交通大学的3自由度晃荡装置,该装置是为液舱或试件提供规定运动的载体,研究被试验物在运动激励下的动态响应。7结语由于液舱晃荡是非定常、强非线性、流固耦合的复杂问题,还有很多难点需要突破,如:1)波面跟踪方法需进一步提高灵敏度和精准度,以准确模拟大幅晃荡运动中的波面翻卷、破碎等强非线性现象;2)液舱作为船舶的一部分,舱内的液体晃荡与船体在波浪中的运动产生相互耦合影响。此外,液舱以及船体的弹性及水弹性对晃荡载荷有明显影响,需要对上述这些耦合问题开展深入的数值和试验研究。【参考文献】[1]CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTankers[A].IMO.2006.[2]朱仁庆.液体晃荡及其与结构的相互作用[D].无锡:中国船舶科学研究中心,2001.[3]娜日萨.VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2001.[4]Hirt,C.W.andNichols,B.D.Volumeoffluid(VOF)methodforthedynamicoffreesurfacefluidflows[J].JComputPhys.1981,39:201-225.[5]祁江涛,顾民,吴乘胜.液舱晃荡的数值模拟[J].船舶力学,2008,12(4):574-581.[6]ZhuRenqing,WuYousheng,IncecikAtilla.Numericalsimulationofliquidsloshing-areview[J].ShipbuildingofChina,2004,45(2):14-27.[7]端木玉,朱仁庆,陈正云,张照刚.不同液舱结构形式对晃荡的影响分析[J].水动力学研究与进展,2006,21(6):760-769.[8]沈猛,王刚,唐文勇.基于改进VOF法的棱形液舱液体晃荡分析[J].中国造船,2009,50(1):1-9.[9]沈猛.基于改进VOF法的棱形液舱液体晃荡分析及应用[D].上海:上海交通大学,2008.[10]OsherandSethianJ.A.FrontsPropagatingwithCurvatureDependentSpeed:AlgorithmsBasedonHamilton-JacobiFormulation[J].JournalofComputerPhysics,1988,79:12-49.[11]M.Sussman,P.Smereka,andS.Osher.Alevelsetapproachforcompu
本文标题:船舶液舱晃荡研究进展
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