船舶液舱晃荡研究进展

《船舶液舱晃荡研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、船舶液舱晃荡研究进展15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:Theengineeringbackgroundandthe

2、researchmethodsanddevelopmentofshiptankliquidsloshingarereviewed.TheresearchadvancesbasedonthemethodsofVOF,Level-set,SPHandALE,andtheadvantagesanddisadvantagesofeachmethodarebrieflysummarized.Theexperimentalfacilitiesofsloshingresearchintheworldareintroduced.Keyword

3、s:tankliquidsloshing;commonstructuralrules(CSR);doublehulloiltanker船舶液舱晃荡研究进展150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

4、式生效。共同结构规范（CSR）[1]规定：针对有效晃荡宽度小于0.56（为型宽），有效晃荡长度小于0.13（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

5、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、M

6、AC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

7、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

8、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