基于MPS方法数值模拟三维LNG液舱的晃荡问题

该文基于自主开发的无网格粒子方法求解器MLParticle-SJTU,将MPS方法(moving particle semi-implicit)应用到三维LNG液舱的晃荡问题中,分别研究了LNG液舱在单自由度纵摇和横摇激励下,装载高度和激励频率对液舱晃荡作用的影响。首先,对装载高度为70%H的LNG液舱在单自由度纵摇和横摇激励下的晃荡问题分别进行了数值模拟,并将计算结果与实验结果进行比较,验证了MPS方法的可靠性。其次,对比不同装载高度,不同激励频率下液舱晃荡的拍击压力和流场分布情况,分析了装载高度和激励频率对晃荡作用的影响,并分析了一阶固有频率和共振频率随装载高度的变化规律。数值结果表明:激励频率对晃荡幅度影响较大;当激励频率在一阶固有频率附近时,会发生剧烈的晃荡现象;52.5%H为危险装载高度,在共振频率下,产生的拍击压力最大。     

超谐共振横摇下液舱晃荡特性数值研究

该文从船舶非线性横摇运动方程出发,采用多尺度法,获得其在正横规则波中的超谐共振稳态解,并将其作为液舱运动的外部激励。在此基础上,基于Open FOAM开源代码,采用基于VOF的两相流模型模拟液舱内气液运动,研究了船舶在超谐共振横摇条件下的液舱晃荡动特性问题。结果表明,在超谐共振横摇条件下,自由液面易出现翻卷、破碎等强非线性现象,舱壁压力时历表现出多峰型特征,其峰值要远大与简谐激励的情况,而且舱内液体晃荡在两个谐波成分的差频附近发生共振响应。     

用MPS方法数值模拟低充水液舱的晃荡

液体晃荡是一种非线性的自由面流动现象.在低充水率下,由于液体具有很大的运动空间,晃荡现象具有强烈的非线性特征,自由面的变形较大,剧烈时甚至会翻卷和破碎,这给数值模拟带来很大挑战.本文基于移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-Implicit,MPS)对低充水率的液舱晃荡问题进行了数值模拟.结果表明:当激励频率等于共振频率时,液体撞击到了液舱的顶板,并出现了飞溅现象,此时液体对侧舱壁产生了较大的抨击压力;在低于共振频率时,自由面出现了破碎波及波前的翻卷和融合等现象,抨击压力相对较小.计算结果表明,MPS方法能够很好地预测晃荡引起的拍击现象,数值计算得到的压力能够与实验结果很好地吻合.在自由面的追踪上,MPS方法具有很大的灵活性,能够很好地处理自由面的破碎、融合及液体的飞溅等流动现象.     

基于MPS方法模拟带水平隔板的液舱晃荡

该文基于自主开发的无网格粒子方法求解器MLParticle-SJTU,研究了二维晃荡问题中对称水平隔板的隔板宽度、高度等参数对减晃作用的影响。首先,对矩形液舱内的晃荡问题进行了数值模拟,通过与实验结果进行比较,验证了MLParticle-SJTU的可靠性;其次,通过大量的数值计算,分析了对称水平隔板的宽度和高度对减晃效果的影响。数值结果表明:对称水平隔板具有较好的减晃作用;对称水平隔板宽度和高度越大,减晃效果越明显。     

带液舱FPSO船内外流场耦合的数值分析

带液舱FPSO船舶运动时对液舱晃荡的影响明显,而被影响的液舱晃荡会反过来改变FPSO船舶运动性能。该文采用基于开源代码OpenFOAM平台自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对带有液舱的FPSO进行内外流场耦合数值模拟,对放开横荡自由度和不放开横荡自由度下的FPSO船舶运动和液舱晃荡进行了模拟研究;并对这两种状态下的船舶运动曲线和液舱抨击压力进行了比较。     

低充水液舱晃荡气垫效应的数值分析

为了研究空气可压缩性对液仓晃荡和流体动力载荷的影响,建立了基于NS方程和VOF方法的自由表面流动数学模型,其中气相可作为可压缩介质。通过单涡演化、溃坝和受迫晃荡三个典型算例的计算,验证了数值方法的有效性。与现有的实验结果对比发现,考虑气相可压缩的两相流模型能合理地反映液仓侧壁的压力振荡过程,而基于气相不可压缩假定的数值模型则无法给出合理的结果。采用空气可压缩的两相流模型,给出了不同背景压强作用下液舱晃荡形态及液体对壁面的拍击力。通过比较壁面监测点的压力时间过程线的计算结果和现有的实验数据,表明考虑空气可压缩性的两相流模型可以很好地预报最大压力峰值,并较合理地给出压力振荡过程,因此有必要在液仓晃荡与流动动力预报中考虑空气的气垫效应。     

薄膜型LNG液舱中浮式制荡板的数值模拟研究

薄膜型液舱广泛用于FLNG(浮式液化天然气储存装置)、FSRU(浮式储存和再气化装置)和LNGC等LNG储运装置,液舱晃荡是目前国际上的一个重要的研究热点。晃荡会产生沿舱壁的爬高和冲击,各国研究人员相继提出了各类制荡措施,以确保液舱安全。该文根据港口工程中浮式防波堤的原理,提出在液舱壁面附近安装浮式制荡板的新设想。首先,针对日本学者提出的在液舱中部放置浮式制荡板的方案,建立带有浮式制荡板的二维液舱晃荡数学模型,并与其试验结果进行对比,验证了该数学模型的有效性;然后,采用该数学模型,对文中提出的方案,进行数值模拟和分析,探讨新型浮式制荡装置对制荡效果的影响,为下一步的结构优化和实船应用奠定基础。     

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr < 1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。     

不同接种液对BOD5测定结果的影响初探

用稀释接种法测定BOD5标准样品的含量,研究不同接种液对BOD5测定结果的影响.研究结果表明,实验室自制的接种液H2(花园土浸出液,35℃ ～37℃培养24 h)和H3(金鱼水加淘米水5:1混合,35℃ ～37℃培养24 h),在每升稀释水添加量为30 ml时,在BOD5含量分别为74.7±4.9和123±8 mg/L...     

重力对气液两相横射流的影响分析

该文采用直接数值模拟研究了沿横流方向重力对平板单孔气-液两相横射流的影响规律.基于VOF方法,数值模拟捕捉到了清晰的瞬态气-液界面.研究结果表明:相比于不存在重力的情况,沿横流方向重力的存在会使流场中的气体受到逆横流方向的浮力.浮力有利于气体黏滞于固壁表面附近,具体表现为有重力算例的横截面平均气体体积分数和近壁面平均气...     

Laboratory investigation of the hydroelastic effect on liquid sloshing in rectan- gular tanks

A sloshing experiment is conducted to study the hydroelastic effect in an elastic tank. For this purpose, a translational harmonic excitation is applied to a 2-D rectangular tank model. The lowest-order natural frequencies of the liquid in the tank are determined through the sweep test. The wave elevation and the sloshing pressure are obtained by changing the excitation frequency and the liquid depth. Then the characteristics and the variation of the elevation and the pressure are discussed. The results are compared with the experimental results and the theoretical calculations in a rigid tank. Our analysis indicates that, in the non- resonant cases, the elastic results, the rigid experimental results and the theoretical values are all close to each other. In contrast, under the resonant condition, the elastic experimental result is slightly smaller than the rigid one. Also, the theoretical values are smaller than the experimental results at the resonant frequency.     

球柱形贮箱中液体的受迫晃动特性研究

本文研究了两底为半球面腰为圆柱面贮箱中液体的受迫晃动特性，用一类特征函数展开的方法求出液体自由晃动频率、速度势，推出了贮箱横向振动时液体受迫振动的动力学方程和边界条件，利用函数展开法求出液体受迫振动速度势，并给出了腔体横向振动时液体对腔壁的反力和反力矩，最后给出了数值计算结果。     

Level-set法在液体晃荡研究中的应用

Level—set法是一种简便、通用、高效的计算分析空间运动界面的数值方法,本文尝试性地将Level—set方法应用于液体晃荡的研究,详细论述了应用该方法模拟液体晃荡的数学模型及数值解法。为了验证该方法处理晃荡问题的正确合理性,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了比较;然后模拟了二维矩形液箱做简谐横摇运动引起的液体受迫晃荡,计算结果以箱壁不同高度处的压强时间历经给出,并与实验结果进行了定量比较。计算结果初步表明采用Level—set方法研究液体晃荡现象是正确可行的。     

Dynamic characteristics of liquid sloshing in a transversely vibrating spherical tank with a spacer under low gravity

The dynamic characteristics of liquid sloshing in a transversely vibrating spherical tank with spacer under low gravity were investigated. By expanding the characteristic functions, the frequencies and velocity potentials of liquid free-sloshing were obtained. The dynamic equations and boundary conditions of liquid sloshing in the traverse vibrational spherical tank with spacer under low gravity were derived. By modifying the velocity potentials of liquid free-sloshing, the velocity potentials of liquid sloshing in the traverse vibrating spherical tank with a spacer were obtained. Furthermore, the forces and the moments acting on tank wall were given. The numerical results show when a spacer is inserted in the tank, the sloshing frequencies of liquid and the forces acting on tank wall will decrease, but the moment of force to the centre of the tank which is caused by the force of liquid acting on the spacer will occur.     

Comparative study of MPS method and level-set method for sloshing flows

This paper presents a comparative study of a meshless level-set method in the simulation of sloshing flows. The numerical moving particle semi-implicit （MPS） method and a grid based schemes of the MPS and level-set methods are outlined and two violent sloshing cases are considered. The computed results are compared with the corresponding experimental data for validation. The impact pressure and the deformations of free surface induced by sloshing are comparatively analyzed, and are in good agreement with experimental ones. Results show that both the MPS and level-set methods are good tools for simulation of violent sloshing flows. However, the second pressure peaks as well as breaking and splashing of free surface by the MPS method are captured better than by the level-set method.     

带自由液面 Navier-Stokes 流动问题的ALE 分步有限元方法

将任意的拉格朗日 欧拉 (ArbitraryLagrange Euler,简称ALE)描述引入到Navier Stokes方程中 ,以速度和压力为基本变量 ,在时间域上采用分步求解格式 ,利用Galerkin加权余量法推导了分步格式的ALE有限元数值离散方程。并对带有自由液面的Navier Stokes流动问题的定解条件进行了分析讨论。最后利用所得到的ALE分步有限元方法对二维及三维不可压粘性液体大幅晃动问题进行了算例数值模拟 ,数值计算结果验证了本文方法及计算机仿真软件的正确性与可靠性     

不同体型调压室的瞬态水力特性对比分析

由于地形特征和调压室断面积的不同,水电站调压室体型也多种多样,从而使水电站过渡过程具有不同的瞬态特性.本文采用基于特征线法的一维计算及基于CFD方法和VOF模型的三维计算,比较了T型截面调压室和π型截面调压室过渡过程中的瞬态水力特性.一维计算结果表明,两种体型的调压室涌浪及调保参数随时间的变化规律相同,且调保参数均在控...