内嵌晃荡液体减振的流固耦合分析

在考虑流体黏性及表面张力作用的情况下,采用分离求解器交错迭代隐式耦合的方法建立了内嵌晃荡减振器的弹性悬臂梁做自由衰减振动或受迫振动的流固耦合物理模型,并对悬臂梁晃荡减振过程进行了瞬态数值计算;结合计算结果与减振理论,分析了内嵌流体导致梁振动衰减的主要原因,认为悬臂梁振动过程中液体受迫晃荡受自由晃荡的影响,其相对位移滞后于梁的振动位移,液体对梁的阻碍冲量大于激励冲量。由此,提出了以振动频率与驻波频率的比值γ来表征自由晃荡,并采用数值模拟方法比较了不同γ下方形容器受迫摇晃的液体作用力,以及晃荡减振器在悬臂梁自由衰减振动中的减振性能。结果表明,γ值越大,单位质量液体的减振效果越明显。该结果可为优化晃荡减振器研究提供参考。

舱内双层液体晃荡特性分析

基于计算机流体力学(CFD)技术,借助流体计算软件STAR-CCM+对舱内双层液体的晃荡特性进行了研究。对双层液体微幅自由晃荡开展数值模拟,计算了自由液面和油水交界面运动固有频率,并与线性势流理论计算结果进行了对比。将数值模拟结果与试验结果进行对比,分析了单、双层液体在不同激励条件下的晃荡特性。结果表明:分层液体每个晃荡模态都存在两个固有频率,且上层液体的固有频率更高,而单层液体仅有一个固有频率且随着黏度增大而降低;相较于单层液体,双层液体的自由表面晃荡更小,且存在一定的相位滞后,从而降低了压力冲击幅值;双层液体油水交界面相对自由表面运动更缓慢,上层液体对下层液体的运动有抑制作用。

垂直隔板抑制液体晃荡的试验研究

液体晃荡是一种带有自由表面的流体在容器中的受迫性运动,几乎任何外部的扰动都能引起充液容器内的液体晃荡。工程实践中常在容器中加入隔板来抑制液体晃荡。在固定水深为18 cm的矩形液舱中,分别设计9 cm、13.5 cm、18 cm 3种不同高度的隔板,研究底部固定浸入式和自由表面漂浮式2种固定方式对矩形容器在横荡共振运动激励下箱内液体晃荡的自由表面高程响应的影响。研究发现在3种高度的垂直隔板中,18 cm高度的隔板的减阻效果最好,另外9 cm高度的隔板采用自由表面漂浮式隔板比底部固定浸入式更能有效抑制液体晃荡;而高度为13.5cm的隔板2种安装方式抑制液体晃动的效果相差不大。

防波板对罐车模型内液体晃荡影响的试验研究

罐车属于典型的移动式压力容器,在危险化学品运输中占有重要的地位。研究防波板对罐车液体晃荡产生冲击载荷的影响对于罐车的设计、防翻滚等具有重要意义。本文针对典型罐车模型进行试验,研究了载液高度、激励频率、激励幅值对液体晃荡引起的冲击载荷的影响,对比分析了有无防波板时自由液面的形状、罐车端面和防波板位置的冲击载荷峰值。试验结果发现:防波板会改变自由液面的固有频率,自由液面剧烈晃动的激励频率较无防波板时增大;防波板能有效降低相同激励频率和激励幅值下的冲击载荷峰值。在试验的激励频率范围内,中等载液高度时,防波板自由液面处的冲击载荷峰值大于同高度的罐车端面;高载液工况下,在自由液面以下的位置,罐车端面受冲击载荷峰值变化比防波板明显。在本研究基础上,通过实际罐车参数和液体晃动数值模拟,可对罐车和防波板的结构设计和优化提供指导。

地震载荷下圆柱型储罐内晃荡响应的数值模拟

为了研究地震载荷下圆柱型储罐内液体的晃荡特性,选用15种典型的地震信号,采用计算流体力学软件Fluent进行数值仿真,以探究地震的频率、频率成分、峰值速度以及峰值加速度对晃荡波高和水动压的作用规律。结果表明:①地震主频是影响自由液面响应的主要因素之一,当其接近储液的一阶固有频率时,会激发强烈的非线性晃荡现象,工程中应添加减晃装置;②波高与地震峰值速度呈较强的正相关,并且低频成分的地震信号激发的波浪较其它频率成分的地震信号更为剧烈;③水动压在储罐上部呈对流模式分布,主要受地震主频和频率成分的影响,并与地震峰值速度和频率成分呈正相关;④水动压在储罐中、下部为脉冲模式分布,与地震峰值加速度呈线性正相关且下部的水动压增长速率明显大于中部。因此在抗震设计中,应加强罐壁下部的强度,尤其是峰值加速度较大的储罐放置场地。

复联通液箱带格栅液体晃荡研究及优化设计

液体晃荡通常发生在装有液体的储液箱中,是一种常见的物理现象。在工程结构逐渐复杂化与大型化的趋势下,液体晃荡问题在工程领域中的重要性日渐提高,并介绍了液体晃荡问题的研究现状和发展趋势。本文提出了采用比例边界有限元法(SBFEM)来研究复杂液箱内液体晃荡特性,通过添加格栅的方式来减轻晃荡,并研究不同形式的格栅减轻液体晃荡的程度。此方法具有计算效率高、计算精度高等优点,在液体晃荡问题的研究中具有广泛的应用前景。

立式圆柱液舱内自由液面三维旋转晃荡试验研究

搭建了一套液舱晃荡模型试验装置,并开展立式圆柱形液舱内一阶与二阶共振三维旋转波研究.试验发现:当外部激励频率等于自由液面运动的一阶固有频率时,液舱内出现了平面波、旋转波与破碎波3种典型波形;当外部激励频率接近自由液面运动的一阶固有频率时,圆柱液舱内出现了调制波,即所谓的“拍频现象”;当外部激励频率等于自由液面运动的二阶固有频率时,液舱内出现了二阶模态波、二阶模态旋转波与不规则波3种典型的波形.研究结果可为海洋工程设计人员设计浮式平台的圆柱液舱提供参考.

弹性液舱内液体晃荡实验研究

通过物理模型实验,对水平简谐激励下弹性矩形液舱内液体晃荡问题进行了研究。实验中给出了不同液深和不同激励振幅下弹性液舱内液体最低阶固有频率。采用影像采集与分析系统获得液舱内自由液面的形状和高度,通过压力采集系统得到舱壁上的压力分布。实验中分析了不同液深、不同激励频率下弹性和刚性液舱内自由液面高度和晃荡压力的变化特性。比较了弹性和刚性液舱内不同位置处自由液面高度随外界激励频率的变化规律,以及舱壁上不同位置处的压力峰值随外界激励频率的变化规律。结果表明:非共振情况下,弹性和刚性实验结果及理论值三者的波高和压力较为接近。共振情况下,弹性和刚性波高基本相等,在近舱壁处二者明显大于理论值,而在远离舱壁处二者与理论值存在一定差别;弹性压力较刚性压力略小,但二者与理论值差别较大。

纵摇容器中液体晃荡的非线性数值模拟

在海洋工程领域,液体晃荡是一种普遍存在的物理现象。对于船舶而言,转动比平动有着更重要的影响。该文针对纵摇容器中的液体晃荡问题,采用高阶边界元方法建立自由水面满足完全非线性边界条件的时域数学模型。通过大地坐标系和随体坐标系之间的坐标变换,使得计算域仅控制在随体坐标系内。求解中采用半混合欧拉—拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与已发表试验和数值结果的对比,验证了建立模型的准确性。进而开展大量数值试验研究容器纵摇运动频率、纵摇转动中心和容器中布置一竖直隔板对晃动波面与荷载的影响。

基于Level-set法的液舱液体晃荡数值模拟

船舶液舱中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成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一。该文基于Level-set法,对一矩形液舱的两种工况下舱内的液体晃荡进行了数值模拟。通过计算,得到了液面起伏和压强的时间历经,结果显示Level-set方法可有效地模拟液体晃荡问题。

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.

ALE有限元法及边界元法在二维带挡板箱体液体晃荡现象模拟中的比较(英文)

该文对二维带挡板箱体液体晃荡现象进行了模拟和比较。任意拉格朗日欧拉(ALE)法基于Navier-Stokes方程,边界元法运用势流理论。首先,通过与不带挡板箱体液体晃荡现象的解析解的比较,验证了两种方法的有效性;进而研究了带刚性挡板箱体液体晃荡现象,并分析了挡板的尺寸、位置对晃荡现象的影响。文中还计算了作用于箱体壁面上的力和力矩。

棱形液舱内液体晃荡问题的SPH数值模拟

应用改进的SPH方法模拟棱形液舱在不同充液比、横摇激励频率工况下的液体晃荡行为。该方法能模拟出液体大幅度非线性晃荡产生的翻卷、破碎等现象,模拟结果与实验结果吻合较好。通过改变舱体结构,对带有隔板的棱形液舱进行数值模拟,分析隔板对液体晃荡特性的影响。结果表明:充液比及激励频率对液体的晃荡特性有重要影响,且适当改变箱体结构可以有效地抑制晃荡现象。

基于Level-set法和通度概念液体晃荡特性研究

液体晃荡现象在诸多工程领域具有深刻的研究意义,并引起了广泛的关注。基于Level-set方法,借助流场通度的概念,模拟了流场内具有障碍物的液体晃荡现象。选取不同形式的防晃结构分析研究对晃荡的抑制效果,得到几点关于防晃结构的设计与选择的重要结论。计算结果表明,通度系数法与Level-set方法的结合使用,能够有效地处理流场内带有障碍物的液体晃荡问题,该方法具有一定的可行性和应用前景。

船用LNG储罐的液体晃荡数值分析

针对船用LNG储罐罐内充装度不足,船舶的运动会诱发罐内LNG液体晃荡的问题,提出LNG储罐晃荡分析的VOF方法,验证模型的可用性,进行LNG储罐中液体晃荡的数值模拟,分析充装率、防波板等因素对晃荡过程的影响。研究表明,液体晃动对储罐产生的最大冲击力随充装率的升高先增大后下降,安装防波板对于15 m3小型储罐可达到较好的防波效果。

液舱内三维液体非线性晃荡的数值模拟

晃荡是一种非常复杂的非线性液体流动现象,载液船舶的晃荡问题颇受关注,因为在外界的激励下液舱内会产生剧烈的晃荡现象,巨大的晃荡冲击力会造成结构的破坏.文中建立了三维晃荡数学模型及数值计算模型,借助处理自由表面的VOF(volume of fluid)方法对液舱内液体晃荡的自由表面进行追踪,编制程序实现了液舱内三维液体非线性晃荡的数值模拟,并就三维刚性液舱内粘性液体的自由晃荡和强迫晃荡做了分析,讨论了液体不同粘性系数对晃荡的影响.模拟结果证明了三维晃荡理论的可行性.

运油车油罐中液体晃荡的分析

研究了长方体油罐中油液的晃荡问题,并分析了安装弹性防晃隔板后的情况,列出了其液固耦合边值问题的数学描述式,得到了有工程应用价值的解析解。数值算例表明,计算结果与工程实际情况是吻合的。

船舶液体晃荡动力学的研究方法及进展

就船舶液体晃荡研究方法和进展作了综述。重点介绍了几种常用的数值计算方法：有限差分法、有限元法、边界元法和随机选择法及它们的应用。最后，提出了还需深入研究的几个方面。

液体晃荡荷载与液舱运动相位关系的数值研究

该文从相位角度出发,采用CFD的数值方法研究简谐激励下液体晃荡整体荷载与液舱运动的相位关系。首先,通过模型实验验证数值方法的可靠性,然后,以横荡激励下的二维矩形舱晃荡为例,研究不同载液率工况下,相位差和晃荡整体荷载幅值随激励频率的变化关系。结果表明：基于VOF法的数值模拟能较好地模拟液舱内液体晃荡;在自由面共振频率附近（0.8 f0～1.2 f0）,相位差随激励频率增加而增大;频率比相同时,相位差随载液率的升高而增大;相位差90°时,相位差对应频率低于共振频率,且与晃荡荷载最大值对应频率基本相等。

基于有限单元法的液体晃荡数值模拟

利用位移格式的有限单元法研究液体晃荡行为。对二维刚性边界条件和三维弹性边界条件矩形储液容器液体晃荡进行分析。得到液体晃荡固有频率、自由液面瞬时高度和自由液面高度时间历程曲线等。二维刚性边界条件的结果与线性解析解具有很好的一致性,验证了有限单元法的适用性。在弹性边界条件下给出了自由液面瞬时高度、自由液面高度时间历程曲线和弹性容器的等效应力,反映了液体晃荡对弹性容器的影响。突出了基于位移格式的有限单元法在处理弹性边界条件液体晃荡问题的优势。