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复合运动容器中液体晃荡的时域模拟

作　者: 宋伟华
导　师: 宁德志
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 液体晃荡高阶边界元方法时域模拟复合运动隔板
分类号: O35
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

液体晃荡是一种普遍存在的物理现象。当外界激励接近容器固有频率时,液体晃荡便会趋于剧烈,出现共振现象。此外,容器大幅运动也会引起内部液体的剧烈运动,从而产生极大的抨击力,对结构造成危害。因此,针对液体晃荡特性的研究是一项非常有意义的工作。本文基于理想流体的势流理论,应用高阶边界元方法建立容器中液体晃荡的完全非线性时域数值模型。模型满足Laplace控制方程,自由表面满足完全非线性的自由水面边界条件。在时域计算过程中,我们采用半混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体的瞬时水面。同时,利用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,并在每一时刻重新进行网格划分。为了减少计算量,提高计算速度,本文将镜像格林函数应用到整个流体域。对于二维问题,可以消除底面上的积分；对于三维问题,则可消除四个侧面和水槽底面上的积分。本文主要针对四种情况下容器中的液体晃荡展开了模拟研究,包括具有初始波面的自由晃荡,纵荡和升沉复合运动,纵荡、升沉和纵摇复合运动,纵荡、横荡和升沉复合运动。通过与已发表数值结果和实验数据在波面和水动力两个方面的对比可知,本文数值模型可以准确模拟不同复合运动情况下的液体晃荡现象。在此基础上,针对各种因素对液体晃荡的影响进行了详细的研究分析,包括运动频率、运动强度、转动中心等。研究发现,液体自由晃荡时,奇数阶固有频率比偶数阶固有频率更容易被激发出来；液体受迫晃荡时,外界运动频率是奇数阶固有频率能引发液体的共振,而偶数阶固有频率却不能。同时,容器的运动强度和转动中心对液体晃荡有着直接的影响作用。除此之外,本文还考虑在容器中安装不同数量和尺寸的水平隔板或垂直隔板,研究隔板参数对液体晃荡的影响,为工程设计提供一定的参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-16
  1.1 液体晃荡的背景和研究意义  9-10
  1.2 液体晃荡的研究进展  10-13
  1.3 本文的研究工作  13-16
2 完全非线性数值模型  16-24
  2.1 控制方程和边界条件  16-19
  2.2 高阶边界元方法  19-23
    2.2.1 边界积分方程的建立  19-20
    2.2.2 边界积分方程的离散  20-22
    2.2.3 时间积分过程  22-23
  2.3 本章小结  23-24
3 固定容器中的液体自由晃荡  24-40
  3.1 模型验证  24-29
  3.2 不同初始波面情况计算及分析  29-39
  3.3 本章小结  39-40
4 纵荡和升沉复合运动容器中的液体晃荡  40-68
  4.1 模型验证  40-44
  4.2 纵荡运动情况  44-50
  4.3 升沉运动情况  50-55
  4.4 纵荡和升沉复合运动情况  55-59
    4.4.1 运动频率对液体晃荡的影响  55-57
    4.4.2 运动强度对液体晃荡的影响  57-59
  4.5 隔板对液体晃荡的影响  59-66
    4.5.1 水平隔板对液体晃荡的影响  60-63
    4.5.2 垂直隔板对液体晃荡的影响  63-66
  4.6 本章小结  66-68
5 纵荡、升沉和纵摇复合运动容器中的液体晃荡  68-83
  5.1 模型简介  68-70
  5.2 模型验证  70-73
  5.3 运动频率对液体晃荡的影响  73-76
  5.4 转动中心对液体晃荡的影响  76-77
  5.5 隔板对液体晃荡的影响  77-82
  5.6 本章小结  82-83
6 纵荡、横荡和升沉复合运动容器中的液体晃荡  83-101
  6.1 模型验证  83-84
  6.2 纵荡和横荡复合运动情况  84-93
  6.3 纵荡、横荡和升沉复合运动情况  93-100
  6.4 本章小结  100-101
结论与展望  101-103
参考文献  103-109
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  109-110
致谢  110-111

复合运动容器中液体晃荡的时域模拟

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