船舶液舱剧烈晃荡下流体砰击载荷特性研究

Sloshing in liquid tank is a complex physical process accompany with the flip, broken and gas entrapment of the free surface. At the same time, the cabin structure will be attacked by the fluid violently posing a threat to the structural strength and the safety of the ship. Thus, in this research, aiming at the problem of the violent sloshing in liquid tank, improving the interface of the gas-liquid-solid coupling firstly, the multiphase fluid-structure model based on the weakly compressible smooth particle hydrodynamic method (SPH) is established; based on this, considering the influence of the air, the effect of the free surface broken and the gas entrapment on the characteristics of the sloshing loading are studied; at last, the mechanism of the coupled motion of the fluid and the elastic structure are summarized by the coupling SPH with the FEM, then the improved elastic anti-sloshing structure is proposed. The main studies are as follows: 1) the establishment of the multiphase fluid-structure SPH model; 2) the study of the characteristic of the fluid impact considering the influence of the air; 3) the study of the effect of the hydroelasticity on the liquid sloshing.

液舱剧烈晃荡过程自由面会出现翻转、破碎、气体卷入等复杂的物理现象，同时流体会对舱室结构产生强烈的砰击，对船体结构强度和安全造成威胁。本研究针对液舱剧烈晃荡过程，首先改进气-液-固三相耦合界面的处理方法，基于弱可压的光滑粒子流体动力学方法（SPH）建立多相流SPH液舱晃荡耦合模型；在此基础上，计及空气的影响，研究剧烈晃荡舱室内部自由液面破碎特性及空气卷入对流体砰击载荷特性的影响规律；最后，将多相流SPH模型与有限元方法（FEM）相结合，探索流体与弹性结构的耦合晃荡机理，提出改进的弹性防晃结构形式。研究内容包括：1）建立多相流SPH液舱晃荡流固耦合模型；2）计入空气影响的流体砰击载荷特性研究；3）水弹性对液体晃荡的影响机制研究。

液体的剧烈晃荡过程会对舱室结构产生强烈的砰击，对船体结构的强度和安全造成威胁，因此，液舱晃荡问题是船舶与海洋领域的研究热点。本研究基于弱可压缩的光滑粒子流体动力学SPH方法，通过改进气-液-固多相界面处理方法，提高了多相流SPH模型的计算精度和稳定性，建立了适合处理剧烈液舱晃荡问题的多相流SPH流固耦合模型；对不同形状液舱的多相流体晃荡问题进行研究，捕捉到自由液面翻卷、破碎和飞溅，以及气腔的形成和分裂、融合等强非线性过程，当晃荡波翻卷砰击壁面形成气腔后，气腔沿壁面爬升过程中，气腔表面拐点附近会形成指向气腔内部的水射流，使气腔分裂；改变气体密度对舱室内部晃荡波形状影响较小，不同气体密度下舱室内部形成的晃荡波相位相差不大，但会影响晃荡波面的稳定性。在此基础上，基于完全拉格朗日SPH方法建立了弹性结构SPH数值模型，通过改进流体动力学模型与结构模型算法耦合形式，建立了弹性SPH流固耦合晃荡模型，对不同频率、幅值的激励下弹性隔板对晃荡载荷的影响进行研究，在一定激励频率和幅值下，弹性隔板会产生高频小幅的振动，弹性隔板的振动与晃荡波耦合会影响舱室内部晃荡波的波高以及晃荡波的频率，通过合理利用弹性隔板的振动可以减小流体晃荡砰击冲量，但对于横摇激励，舱室内部晃荡波主要受外部激励的影响。