三维大幅晃荡的Youngs-VOF法模拟

液货船液体舱室在摇荡运动激励下的大幅晃荡问题日趋成为研究热点.针对液箱三维大幅晃荡问题,考虑较低液体装载水平以及外激励频率为共振频率的条件,采用基于有限差分法的Youngs-VOF自由液面重构方法,计入因气体卷入带来的表面张力影响,实现液舱内合并、气体卷入等液面大变形现象的数值模拟,以及抨击压强的时历预报.大幅晃荡的液面大变形现象数值模拟结果与试验结果对比表明,Youngs-VOF能够实现有效模拟界面运动;同时抨击载荷计算结果与试验结果也较为一致;此外就表面张力对抨击压强的影响进行分析,表明有必要计入表面张力因素.     

波浪中船体与液舱晃荡耦合运动的时域数值计算

为分析液舱流体晃荡对波浪中船体运动性能的影响,针对船体外流场与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用时域势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程.其中波浪中船体水动力和时延函数采用切片法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算.对S175加载方形液舱在迎浪横浪等不同工况下液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证研究.研究表明,在不出现液面破碎等强非线性现象时,能够给出较好的液舱流体晃荡波形和压力;耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体运动的影响,并准确给出船体有无加载液舱时共振频率的偏移现象;数值与试验结果吻合良好,并具有较高的计算效率,为设计载液船舶或减摇水舱等的前期设计提供了快速有效的分析方法和技术手段.     

晃荡条件下气泡上升速度特性研究

海浪、地震等条件都会导致核动力设备中储存自由液面的设备产生剧烈的晃荡。为了分析晃荡条件下液体中的气泡行为特性,本文运用CLSVOF(coupled level-set and volume-of-fluid)模型追踪两相流体交界面,数值模拟气泡在液体中受余弦简谐激励和自由液面影响的上升过程。计算结果显示余弦简谐激励降低了气泡纵向运动速度,而横向速度略大于激励速度;自由液面的波动在纵向上会使气泡上升速度骤然降低,甚至出现负速度,越接近自由液面横向速度峰值越大。计算结果表明晃荡运动的影响是余弦简谐激励与自由液面波动影响的叠加,晃荡条件下自由液面波动是气泡速度变化的主要因素,气泡的本身属性起次要作用。     

液舱内液体晃荡的SPH模型

自由液面的存在使液体晃荡问题具有很强的非线性和随机性.针对中等液位、高液位和在液舱底部加设防荡隔板情况下的液体晃荡问题,依据光滑粒子流体动力学理论,建立了液舱内液体晃荡模型.首先模拟了中等液位和高液位下的液体晃荡,将计算结果分别与线性复合叠加理论解做比较,其结果吻合较好,验证了所建模型的合理性.然后,模拟了在液舱底部加设防荡隔板时的液体晃荡,提出了防荡隔板处粒子分区搜索的边界处理方法.当外激励振幅A=0.025 m时,加设防荡隔板后液面晃荡最大与最小幅值较无隔板时分别减小33.3%和30.6%,当外激励振幅A=0.150 m时,其相应幅值分别减小73.3%和76.2%,说明在相同的外激励作用下适当地加设防荡隔板对减小液体晃荡幅值起到一定作用.     

液面晃荡频率的半解析方法

为了解决内部充液圆柱壳的结构稳定性及安全性会受到内部液体晃荡的影响,本文针对二维圆柱壳在任意充液深度时的自由液面晃荡频率提出了一种半解析求解方法。分别在圆柱壳圆心和自由液面建立结构坐标系和液面坐标系,假设内部液体为无粘不可压缩流体,利用拉普拉斯方程,结合小幅晃荡的表面波方程,得出自由液面的速度势函数,通过坐标变换并结合流体-壳体连续边界条件得出液面运动控制方程,采用伽辽金法得出自由液面晃荡频率。通过与其他方法进行对比验证了晃荡频率及模态求解的准确性,然后对不同充液深度下二维刚性圆柱壳自由液面晃荡频率特性进行了讨论。研究表明：本文提出的方法能够准确有效计算二维充液圆柱壳内部液体不同深度下的晃荡频率。     

LNG独立C型舱晃荡的频域共振特性试验研究

通过有限元方法结合势流理论,计算LNG独立C型舱内液体在自由振荡下的理论固有频率,通过试验结合快速傅里叶变换(FFT)对计算结果进行验证.利用外界激励,在0.25、0.40和0.60倍液舱模型直径的载液高度下,以相同激励幅值在液体固有频率附近进行扫频试验.对液体受迫晃荡时自由液面形状进行描述,发现0.5的理论固有频率为晃荡起始频率,终止频率会随着液位升高而下降.利用统计值对3个不同载液高度下的理论固有频率与共振频率的关系进行定量比较,结果表明:共振频率比理论固有频率分别增大31%、13%和7%.     

正弦激励下矩形容器内液体晃动特性研究

为了获得容器内液体的晃动特性,采用数值模拟方法对正弦激励下矩形容器的晃动过程进行研究.通过用户自定义函数实现速度的加载,给定容器的刚体运动,通过计算结果与实验数据的对比验证数值方法的准确性;探究不同激励对矩形容器壁面受力及液面变化作用机制,揭示外部激励频率、激励幅值对液体晃动特性的影响规律.结果表明:一般情况下,液体晃...     

考虑液体晃动和罐底提离储液罐的研究

一直以来没有一个简便、有效的模型来模拟壳-液的多种移动边界、几何大变形和流体液面大幅晃动、粘性等多种非线性因素耦合作用的三维的地震反应分析问题.运用大型有限元程序ANSYS中的单元建立考虑液体晃动和罐底提离的储液罐模型,分析了地震作用下无锚固储液罐的动力响应.通过与经典的C lough试验结果进行比较,验证了所建模型的可靠性.模型在数值分析结果中成功的再现了液面的大幅晃动的现象和无锚固储液罐的罐底提离现象.     

三维液舱内浮子式减晃荡结构的水动力特性

针对液舱晃荡问题,本文对三维液舱内柱型浮子式减晃结构的水动力特性开展了研究。基于边界元方法开发了三维数值模型,实现了复杂液舱内液体自然晃荡频率和模态的预报;分析了不同位置、吃水和半径的减晃浮子对液舱自然晃荡频率的影响规律,以及水深对浮子减晃效果的影响。研究发现:与无浮子液舱的自然晃荡频率相比,采用浮子结构后液舱的自然晃荡频率普遍降低;当浮子靠近且沿着液舱边界运动时,舱内液体自然晃荡频率的变化范围最大;在其他条件不变的情况下,大半径、大吃水浮子运动时,对液舱自然晃荡频率的影响更为明显;圆柱浮子式结构对浅水液舱的减晃效果更好。     

三维液舱内浮子式减晃荡结构的水动力特性

针对液舱晃荡问题,本文对三维液舱内柱型浮子式减晃结构的水动力特性开展了研究。基于边界元方法开发了三维数值模型,实现了复杂液舱内液体自然晃荡频率和模态的预报。分析了不同位置、吃水和半径的减晃浮子对液舱自然晃荡频率的影响规律,以及水深对浮子减晃效果的影响。研究发现:与无浮子液舱的自然晃荡频率相比,采用浮子结构后液舱的自然晃荡频率普遍降低;当浮子靠近且沿着液舱边界运动时,舱内液体自然晃荡频率的变化范围最大;在其他条件不变的情况下,大半径、大吃水浮子运动时,对液舱自然晃荡频率的影响更为明显;圆柱浮子式结构对浅水液舱的减晃效果更好。     

基于四叉树自适应网格二维晃荡的数值模拟

为提高液仓晃荡数值模拟精度和效率,本文结合VOF和树形自适应网格,直接离散不可压粘性流体的NS方程,对于纵摇和水平外激励所引起的二维液体强迫晃荡进行数值模拟。将计算得到的几种工况下的自由表面升高,力和力矩同解析解、实验值进行了对比,验证了该数值方法对于此问题的有效性。通过网格自适应加密,不仅提高了计算效率,而且比势流解更为精确。     

三维液舱内浮子式减晃荡结构的水动力特性

针对液舱晃荡问题,本文对三维液舱内柱型浮子式减晃结构的水动力特性开展了研究。基于边界元方法开发了三维数值模型,实现了复杂液舱内液体自然晃荡频率和模态的预报。分析了不同位置、吃水和半径的减晃浮子对液舱自然晃荡频率的影响规律,以及水深对浮子减晃效果的影响。研究发现:与无浮子液舱的自然晃荡频率相比,采用浮子结构后液舱的自然晃荡频率普遍降低;当浮子靠近且沿着液舱边界运动时,舱内液体自然晃荡频率的变化范围最大;在其他条件不变的情况下,大半径、大吃水浮子运动时,对液舱自然晃荡频率的影响更为明显;圆柱浮子式结构对浅水液舱的减晃效果更好。     

波浪上船体与液舱晃荡耦合的非线性时域模拟

为研究外流场非线性对船体与液舱晃荡耦合运动性能的影响,本文基于势流理论提出一种计算波浪中船体与液舱晃荡耦合的时域混杂法.该方法对外流场的入射波力和静恢复力计算考虑了波浪环境下瞬时湿表面的非线性影响;对于内部流动的液舱晃荡采用时域边界元法,将该舱液面引起的力矩进行修正,实现对规则波不同工况下耦合运动时历的求解.本文以S1...     

光滑粒子流体动力学方法在拱坝中孔泄流冲击水垫塘模拟中的应用

为验证光滑粒子流体动力学方法的计算程序对自由表面大变形问题的模拟结果是否准确,基于光滑粒子流体动力学方法,建立溃坝模型,通过与物理模型试验结果对比,两者自由液面相似度为91.7％,内部压强分布合理,说明该程序能相对准确模拟流体大变形问题.在此基础上,建立了拱坝泄流模型,模拟了中孔泄流冲击水垫塘过程,结果显示:下泄水流流...     

磁致液面变形及其光学测量

为获取磁场中气液界面的特性参数,提出基于镜面反射成像与结构照明相结合的方法对磁致液面变形进行测量.根据图像映射和条纹灰度矩阵提取条纹图的相位差进行液面变形量的计算,并重建三维变形液面.得到了结论:液体表面附近处的梯度磁场将引起表面张力的不均匀而使其发生变形,变形量及方向与磁场强度和梯度的空间分布有直接关系,为浮力-热毛细对流的相关研究提供一种新的途径.     

基于VOF法的液舱晃荡数值模拟及载荷计算

建立了液舱晃荡的有限元模型,运用CFD计算软件Fluent 6.3模拟了单激励和耦合激励下不同舱室结构以及不同幅度的液舱晃荡,并计算监测点压力,得到了晃荡在激励下的变化规律。对仿真结果进行讨论分析。     

Wigley船的大幅运动与甲板上浪的时域模拟

为了对迎浪航行船舶的大幅运动和甲板上浪进行预报分析,基于自由液面捕捉法的多相流软件FINE/Marine建立了数值模型,基于该模型对Wigley船甲板上浪的动态过程进行了系统的模拟。针对甲板上浪的重要影响因素(波长和波幅等)模拟了在不同波长下Wigley船的运动响应和不同波幅下Wigley船的甲板上浪过程。为了更加真实地模拟上浪过程,模型基于粘性流理论,采用固-液-气三相流耦合模型,并利用BRICS可压缩型离散格式精确捕捉自由液面,减小自由液面附近构成函数的数值扩散,比较理想地处理了波浪破碎和自由液面的复杂演化问题。基于该数值模型计算了Wigley船的辐射问题,其结果与试验数据相符较好。模拟和分析了Wigley船各时段的运动响应特性和水动力性能特性,模拟结果表明相对波长1.2的海况更易发生上浪现象。该研究成果对甲板上浪问题的机理探索以及甲板上浪导致的冲击载荷研究具有重要的作用,对船体主尺度和结构的设计具有一定的参考价值。     

超声空化气泡运动的数值模拟

依据热力学和动力学分析,建立了声场作用下液体中一个气泡的运动模型．通过对运动方程的数值模拟,研究了液体中声压幅值、超声频率、空化核半径以及液体的密度、表面张力、动力粘度等因素对气泡运动的影响.     

喷射成形二级结构雾化器的雾化过程数值模拟

针对新设计的二级结构雾化器的雾化过程进行了数值模拟.利用Fluent软件,模拟了不同压强条件下气体流场的速度、压强分布及弥散相的分布情况,并进行了实验验证.数值模拟结果表明：当主雾化器的压强为1 MPa、辅助雾化器的压强为0.5 MPa时,主雾化器雾化区域的气流速度能达到300m/s,弥散相分布对称,靠近雾化轴部分弥散相密度较大,模拟结果与实验结果基本一致,表明新设计的二级结构雾化器在喷射工艺中能够取得较好的雾化效果.     

均匀流场中含自由液面的陷落腔压力分布数值研究

在有自由液面的情况下,针对横剖面为圆形和方形的陷落腔模型,在均匀流场条件下的水动力数值实验研究,取得了腔体壁面的流体定常压力和脉动压力的实验数据．利用计算流体力学软件CFX对有自由液面的陷落腔内液体的晃荡现象和压力分布进行了数值计算,分析了模型所受的定常压力随傅汝德数和腔体形状的变化趋势,在脉动力分析中利用随机过程的理论,并讨论了晃荡现象对压力分布的影响．