摘 要

液体晃荡是一种普遍存在的流体运动现象。一般发生在具有一定自由液面的容器内，通常为两种及两种以上互不相溶(或微量互溶)的流体之间在有限空间内的相对运动，具有复杂的流动性、随机性和高度的非线性。伴随着社会的飞速发展，各国对载液船舶和载液交通工具的需求量迅猛增长，例如运输油罐车、载液货船、载液空间飞行器、浮式海洋平台储油罐等。而在运输的过程中，当外界激励频率接近液舱内流体的固有频率时，液舱内的液体会发生不同程度地相对运动，并对液货舱壁面产生巨大冲击力，引起结构的局部破坏或完全损坏，进而导致泄漏或者引发其他安全事故。

由于晃荡液体具有高度的非线性，这使得液货舱内自由液面位移的追踪成为晃荡特性研究的难题。本文采用VOF法监测液货舱内晃荡液体的自由表面位移波动的时间特征数据；通过压力采集系统，得出在外部激励下作用于液货舱侧壁的动水压力分布，并采集其侧壁最大动水压力值的时间特征数据。通过自由液面位移波动以及作用于侧壁的最大动水压力值，来评价液货舱内液体在外部激励作用下的晃荡的剧烈程度。

针对液货舱的晃荡问题，本文的主要研究内容如下：

1. 讨论了液货舱晃荡研究的数值模拟方法及控制方程及边界条件的设置；同时研究了液货舱在不同载液率下晃荡的剧烈程度，以此找出一标准载液率为后续的研究作准备。
2. 以自由液面位移波动以及作用于侧壁的最大动水压力值作为评估指标，研究了不同载液率下液货舱的晃荡剧烈程度。随着液货舱内载液率的增加，液货舱内自由液面位移波动越剧烈。
3. 研究讨论了液货舱内不同挡板的组合形式下对于液货舱内液体晃荡的抑制作用，以找到相对最佳挡板位置。对称挡板和垂直挡板相比，垂直挡板相对更有效；且放置在液货舱底部的定位挡板处于中间位置时，其晃荡抑制作用最有效。
4. 研究讨论放置于液货舱内挡板的高度对于液货舱内液体晃荡的影响。随着液货舱内挡板高度的增加，挡板对于液货舱内液体的阻碍作用越强，即挡板高度越高，其对于液货舱内液体的晃荡抑制作用越强。
5. 放置于底部的挡板对于液货舱内两侧液体的阻隔作用，将会给液货舱内液体的装卸带来问题；在挡板底部凿孔是否可以起到类似于节流孔板的压降作用。基于上述两点，研究讨论了带孔挡板对于液货舱内液体晃荡的影响。通过研究表明：在挡板底部凿孔并不能起到类似于节流挡板压降的作用，相反会减弱挡板本身对于液货舱内液体的阻碍作用。当Dlt;3mm,孔对于挡板的阻碍作用并没有明显削弱效果；当Dgt;3mm，随着孔径的增大，挡板对于液货舱内液体晃荡的抑制作用越弱。因此，我们可以采用孔径为3mm来解决液货舱的装卸问题，另一方面也保证了挡板本身对于液体晃荡的抑制效果。

关键词：液货舱；晃荡；载液率；挡板；孔

ABSTRACT

Liquid sloshing is a ubiquitous phenomenon of fluid movement. Generally it occurs in a container with a certain free liquid surface, and shows the relative movement between two or more kinds of incompatible (or slightly miscible) fluids in a limited space, which has complex fluidity, randomness, and highly Nonlinear. The problem of liquid sloshing has great engineering significance in the safety of transportation systems. With the rapid development of the society, the demand for liquid-carrying vessels and liquid-carrying vehicles has grown rapidly in various countries, such as transportation tankers, liquid carriers, liquid space vehicles, floating offshore oil tanks, etc. In the process of transportation, when the external excitation frequency is close to the natural frequency of the fluid in the tank, the liquid in the tank will have different degrees of relative motion, and generates a great impact on the wall of the cargo tank, causing partial destruction or complete destruction of the structure, thereby causing leakage or causing other safety accidents.

The sloshing liquid has highly non-linearity, which makes that tracking of the free liquid surface displacement in the cargo tank a difficult problem for sloshing characteristics research. In this paper, VOF method is used to monitor the time characteristics of free surface fluctuations of sloshing liquid in cargo tanks. Through the pressure acquisition system, the hydrodynamic pressure distribution acting on the side wall of the cargo tank under external excitation is obtained, and the time characteristic data of the maximum hydrodynamic pressure value of the side wall is acquired. The degree of sloshing of the liquid in the cargo tank under external excitation is evaluated by the fluctuation of the free liquid surface displacement and the maximum hydrodynamic pressure value acting on the sidewall.

In response to sloshing problems in cargo tanks, the main research contents of this paper are as follows:

1. Discussed the numerical simulation method of the sloshing study of cargo tanks and the setting of the control equations and boundary conditions;
2. The fluctuation of the free liquid surface displacement and the maximum hydrodynamic pressure acting on the sidewalls were used as evaluation indicators to study the sloshing intensity of the cargo tanks at different liquid loading rates. The greater the liquid carrying rate in the cargo tank, the more violent the fluctuation of the free liquid surface in the cargo tank.
3. In the study, the inhibition of liquid sloshing in cargo tanks under different combinations of baffles in cargo tanks was studied to find the relative best baffle position; The vertical baffle is relatively more effective than the symmetrical baffle; when the positioning baffle placed at the bottom of the cargo tank is in the middle position, the sloshing suppression effect is most effective.
4. The effect of the height of the baffle placed in the tank on the sloshing of liquid in the cargo tank was studied and discussed; With the increase of the baffle height in the cargo tank, the baffle has a stronger impediment to the liquid in the cargo tank, which means the higher the baffle height, the stronger the suppression effect of the liquid sloshing in the cargo tank.
5. The baffle placed on the bottom will hinder the loading and unloading of the liquid in the cargo tank due to the obstruction of the liquids on both sides of the cargo tank; the perforation at the bottom of the baffle plate may play a role similar to the pressure drop of the orifice plate. Based on the above two points, the influence of perforated baffles on liquid sloshing in cargo tanks was studied and discussed. Studies have shown that drilling at the bottom of the baffle does not act like a pressure drop in the throttling baffle; instead, it weakens the obstruction of the baffle itself to the liquid in the cargo tank. When Dlt;3mm, the blocking effect of the hole on the baffle does not significantly impair the effect; when Dgt;3mm, with the increase of the aperture, the baffle suppresses the liquid sloshing in the cargo tank less. Therefore, we can use the aperture of 3mm to solve the problem of loading and unloading of cargo tanks. On the other hand, we can also guarantee the dampening effect of the damper itself on liquid sloshing. When Dlt;3mm, the obstruction of the baffle by the hole is not significantly weakened; when Dgt;3mm, the baffle has a weaker inhibitory effect on the liquid sloshing in the cargo tank as the pore size increases. Therefore, we can use the aperture of 3mm to solve the problem of loading and unloading of cargo tanks. On the other hand, we can also guarantee the dampening effect of the damper itself on liquid sloshing.

Keywords: cargo tank；sloshing；carrier rate；baffle；hole

目 录

摘要 I

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2液货舱气液两相晃荡的研究现状 1

1.2.1理论分析 1

1.2.2数值模拟 2

1.2.3物理模型 3

1.3本文研究内容及方法 4

第二章 三维液货舱内液体晃荡数值模拟 5

2.1数值模拟的理论基础 5

2.2控制方程和边界条件 7

2.2.1控制方程 7

2.2.2边界条件 7

2.3液货舱模型的建立 8

2.4液货舱内液体晃荡自由液面位移分析 10

2.5液货舱内液体晃荡液体动水压力分析 13

2.6不同载液率下液货舱的晃荡特性 14

第三章 最佳挡板位置的确定 17

3.1加中间垂直挡板的液货舱 17

3.1.1液货舱模型建立 18

3.1.2液货舱内液体晃荡自由液面位移分析 18

3.1.3液货舱内液体晃荡液体动水压力分析 19

3.2加三块对称挡板的液货舱 20

3.2.1液货舱模型建立 20

3.2.2液货舱内液体晃荡自由液面位移分析 21

3.2.3液货舱内液体晃荡液体动水压力分析 22

3.3垂直挡板位置设置的影响 23

3.3.1液货舱内液体晃荡自由液面位移分析 23

3.3.2液货舱内液体晃荡液体动水压力分析 24

3.3本章小结 25

第四章 不同挡板高度对液货舱晃荡影响 28

4.1挡板高度为16mm 28

4.1.1液体晃荡自由液面位移分析 28

4.1.2液体晃荡液体动水压力分析 29

4.2挡板高度14mm 30

4.2.1液体晃荡自由液面位移分析 30

4.2.2液体晃荡液体动水压力分析 31

4.3本章小结 32

第五章 节流挡板对液货舱晃荡影响 34

5.1水力直径3mm的节流挡板 34

5.1.1液体晃荡自由液面位移分析 34

5.1.2液体晃荡液体动水压力分析 35

5.2水力直径10mm的节流挡板 36

5.2.1液体晃荡自由液面位移分析 37

5.2.2液体晃荡液体动水压力分析 39

5.3本章小结 40

第六章 结论与展望 42

6.1结论 42

6.2课题研究存在的问题及展望 43

参考文献 44

致谢 47

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

液体晃荡是一种普遍存在的流体运动现象。一般发生在具有一定自由液面的容器内，通常为两种及两种以上互不相溶(或微量互溶)的流体之间在有限空间内的相对运动，具有复杂的流动性、随机性和非线性。伴随液体的晃荡，液体运动会呈现平面晃荡、波浪翻转、旋转、混合等形态。随着社会经济的发展以及能源结构的现状使得各国对载液船舶和载液交通工具的需求量迅猛增长。而在运输的过程中，在外部载荷的作用下，液舱内的液体会发生不同程度地相对运动，并对液舱壁局部产生动水压力，引起结构的局部破坏或完全毁坏，进而导致泄漏或者引发其他安全事故。

近几年来，随着能源结构的变化，LNG、LPG液货运输船及由于燃气分布不均引起的点供油槽车的兴起，进一步使晃荡成为全世界瞩目的热门研究问题。另一方面，由于在运输过程中，不可能完全达到满载，便会始终存在自由液面，进而在外部激励作用下导致晃荡。为了解决在运输过程中由于晃荡引起的各项问题，国内外许多学者积极开展液体晃荡问题的相关研究。

1.2液货舱气液两相晃荡的研究现状

由于晃荡问题的复杂性、随机性和非线性，给问题的研究带来了很多问题。但是在各国学者近几十年的研究，目前已经形成了许多行之有效的研究方法，总的来说可以分为理论分析法、数值模拟法和物理模型实验法^[1-3]。

1.2.1理论分析

进行实际的晃动实验来研究地震激励效应是不切实际的。因此，很多仿真现实条件的数值模拟工具在工程文献中很受欢迎。所有的数值方案都是基于网格或无网格的，并且包含广泛的时空精度。Kim^[4]已经在数值上模拟了2D和3D晃动现象，用于冲击压力和自由表面轮廓。 Cho和Lee^[5]已经研究了通过完全非线性势流理论进行强制激励的二维液罐中的大振幅液体晃动，用于不同的液体填充高度和激励振幅。Frandsen^[6]研究了使用完全非线性无粘模型对二维矩形槽进行垂直和水平激励并存的影响。他已经讨论了由于垂直运动下一定频率和幅度的组合运动的参数共振引起的相关不稳定性。Ozdemir等人^[7]提出了一种完全非线性数值方法来解决基于任意拉格朗日欧拉（ALE）方法的三维FSI问题，他们研究了谐振和非谐振载荷条件下晃荡波高程的时间历程。

Abramson基于势流假设的线性理论，首先尝试对圆柱形液舱和球形液舱内的液体晃荡引起的晃荡冲击载荷进行了研究^[8]，并做了大量的实验验证了该数学模型，从而预测了航空航天等载运工具上的燃料箱内由于液体晃荡引起的动压力。

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