地震激励下基础隔震储罐中粘性流体非线性晃动控制机理研究

The safety of the State Strategic Energy Reserve strongly depends on the anti-seismic capability of the liquid storage container. Base isolation is a widely used anti-seismic measure which can effectively reduce the damage caused by earthquake to the bottom of a storage container, but control of the liquid sloshing in the container is not possible. Violent liquid sloshing often leads to the buckling of the upper container wall and the damage of the container roof, and existing calculation models cannot be used to deal with the non-linear sloshing of viscous liquid. This program will present a semi-analytical method that is applicable to the non-linear sloshing of viscous liquid, and incorporate the finite element model of the container to establish an efficient and reliable fluid-structure-interaction model, which can be used to study the viscous liquid sloshing control in the base-isolated liquid storage container. The research contents include: revealing the effects of the baffle and base isolation on the liquid sloshing based on experiments; developing a semi-analytical model of the liquid sloshing in the baffled container, considering various dissipation mechanisms for establishing the sloshing damping model, investigating the control mechanism of the anti-sloshing baffle; developing the coupling fluid-container-baffle-bearing system, studying the coupled effect of the anti-sloshing baffle and base isolation, so as providing theoretical foundation for optimization design of comprehensive anti-seismic systems. The successful implementation of this project will help to improve the strategies of protecting liquid storage containers.

大型储罐的抗震性能关系到国家战略能源储备的安全，基础隔震是常用的抗震措施，能够降低地震对储罐底部的破坏，但无法控制储罐中的流体晃动，大幅非线性晃动经常导致储罐上部与罐顶的破坏，现有的计算模型难以研究粘性流体的非线性晃动控制及稳定性。本项目将发展一种适用于粘性流体非线性晃动的半解析法，然后结合储罐的有限元模型建立高效、可靠的流-固耦合模型，研究基础隔震储罐中粘性流体非线性晃动的控制机理。研究内容主要包括：基于实验揭示隔板与隔震支座对粘性流体晃动的影响规律；建立带隔板储罐中粘性流体非线性晃动模型，考虑多种能量耗散机制建立流体晃动阻尼模型，研究隔板的晃动控制机理；建立流体、储罐、隔板以及隔震支座相互耦合的动力学模型，研究晃动控制与基础隔震的耦合作用机制，为综合抗震系统的优化设计提供理论依据。该项目的成功实施，对大型储液罐的抗震设计具有重要意义。

本项目首先研究了带多层柔性防晃板的储液系统，建立了半解析的理论模型，探讨了柔性防晃板与流体晃动的耦合机理，将该理论模型与Matlab全局优化工具相结合，从而实现对多层柔性防晃板的参数优化。为研究俯仰机理下晃动控制机理，本项目基于改进的流体子域法求解了带隔板的圆柱形储液系统的Stokes-Joukowski势，引入时变的广义坐标可得到满足俯仰激励边界条件的速度势函数的形式解，基于自由液面上的运动学及动力学方程可以得到动力响应方程，由此建立了俯仰激励下带刚性隔板的储液系统的晃动控制模型。在求解 Stokes-Joukowski 势的基础上引入3组不同的时变广义坐标，分别用于展开自由液面波高函数，柔性防晃板的动挠度函数以及流体速度势函数，利用耦合模态的正交得到3组广义坐标的关系，基于自由液面方程及柔性防晃板的耦合振动方程建立耦合动力响应方程，在方程中引入阻尼项来模拟粘性流体的能量耗散，从而建立了俯仰激励下带柔性防晃板的储液系统的半解析模型。建立了水平激励下带刚性防晃板的储液系统中流体非线性晃动的动力响应模型，研究了防晃板与外部激励的各个参数对流体晃动非线性特性的影响，基于多尺度方法求解了该模型的频率响应曲线，分析了自由液面晃动的稳定性。建立了带隔板的储液系统的等效力学模型，详细分析了不同贮液高度、隔板位置和尺寸对流体晃动的影响。建立了基础隔震储液系统的晃动控制模型，根据达朗贝尔原理，考虑储液系统的基础隔震，建立整个体系在水平激励下的动力响应方程，通过地震响应分析验证了模型的正确性，揭示了防晃板和隔震支座综合防护机制。