波浪作用下大型LNG舱内液体晃荡及隔板减晃机理研究

Liquid sloshing is free surface flow problem in a tank which is subjected to forced oscillation, which is one of frontier topics in coastal, ocean and ship engineering. The goal of this proposal is to develope a completed three-dimensional liquid sloshing numerical model with arbitrary six degree-of-freedom (DOF) motions by using "Virtual Boundary Force" VBF method which can study free surface turbulence interaction with surface-piercing structure, to simulate nonlinear liquid sloshing with broken free surfaces in a baffled liquid storage container under wave excitation. An experimental setup of sloshing having two DOF motions will be developed with the aid of irregular wave-maker system to conduct some laboratory experiments for modeling validation purpose. A systematic numerical simulations and experimental studies on liquid sloshing characteristics and baffle damping mechanism in a large-scale LNG tank under wave excitation are to be carried out to reveal the mechanism of production of sloshing waves with different types, pressure distribution on the tank walls, roof and corners and the damping mechanism of the different shape and arrangements baffles on reducing sloshing. By doing this, we try to deepen the understanding on nonlinear liquid sloshing in LNG tank under realistic ocean wave climate, present a novel method for farthest reducing liquid sloshing and add new knowledge to the large-scale LNG tank design.

液体晃荡是指带有自由液面的流体在容器中的受迫运动，它是海岸、海洋及船舶工程领域的前沿课题之一。本项目将基于能够处理出水结构物与自由面紊流相互作用的"虚拟边界力"VBF法，开发一个用于模拟带有隔板的储液容器在波浪作用下以任意六个自由度作受迫运动的全三维液体晃荡数值模型，模型同时能够精确模拟非线性液体晃荡产生的自由液面破碎情况。利用不规则波造波机系统设计建立两自由度运动的液体晃荡试验装置，进行液体晃荡试验研究用于验证数值模型。同时我们将利用数值模拟和模型试验相结合的方法，系统开展波浪作用下大型LNG舱内液体晃荡特性及隔板减晃机理研究，揭示不同类型晃荡波的产生机理、晃荡压力在容器内壁、顶部及角隅的分布规律和不同类型隔板的减晃机理。研究工作可以增加对真实海况作用下LNG舱内非线性液体晃荡规律的认识，提出能够最大限度减小液体晃荡的优化设计方法，提升大型LNG船等储液容器的设计理念。

采用物模试验与数值模拟方法对运动容器内的液体晃荡特性、隔板减晃效果及作用机理进行了系统深入的研究。提出了一种在固定笛卡尔坐标系上处理复杂形状结构物的新方法-虚拟边界力法，同时解决了虚拟边界力法与自由液面追踪方法“流体体积”法的耦合问题，建立了能够在非惯性坐标系上模拟任意六个自由度激励下的液体晃荡问题的全三维数值模型。自主设计建立了以不规则波造波机为驱动装置的液体晃荡试验研究平台，组建了以压力传感器、浪高仪、位移传感器、加速度传感器、高速摄像机为主要设备的量测系统。开展了简谐波与不规则波作用下的液体晃荡特性物模试验研究，利用获得的试验数据及理论解对发展的数值模型进行了系统的验证。阐明了变参数条件下隔板的减晃效果，揭示了不同晃荡波的生成机制及隔板减晃作用机理。本项目中建立的三维数值模型可应用于预测剧烈液体晃荡引起的极限压力载荷在液舱内的分布规律，为解决工程中的液体晃荡问题及减晃措施提供了支撑。