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液货船液舱晃荡问题研究

作　者: 蔡忠华
导　师: 王德禹
学　校: 上海交通大学
专　业: 工程力学
关键词: LNG船液舱 VLGC船液舱晃荡试验数值模拟
分类号: U674.133
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着世界经济的发展，对于液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）等能源的消费需求也在快速增长，这大大刺激了船舶运输技术的不断提高，从而开发了大型液化天然气船（LNG船）、超大型液化气船（VLGC船）等液货船。大型LNG、VLGC船液舱宽度大，装载深度高，在带来更大装载能力的同时，也带来了一定的安全隐患，其在航行过程中可能发生更剧烈的晃荡，产生的冲击压力会威胁到舱壁以及船体结构的安全。因此，晃荡载荷已经成为大型液货船安全性评估的重要内容之一，如何降低晃荡载荷、保证船舶结构的安全，是当今迫切需要解决的问题。针对液货船液舱的晃荡问题，本文主要做了以下工作：（1）讨论了数值模拟液体晃荡的基本控制方程以及相应数值方法；（2）开展了液舱模型晃荡试验，内容包括试验方法设计、试验结果的分析及评估等，并分别进行了LNG，VLGC船液舱模型晃荡试验，在对试验数据分析的基础上，对比讨论了装载率、激励频率等参数对于晃荡冲击压力的影响；（3）计算分析了VLGC船液舱内水平桁、强肋框和制荡舱壁等内部结构对于晃荡压力、内部液体固有频率的影响；（4）研究讨论了液舱内部液体密度、粘性以及气体压力等参数对晃荡冲击压力的影响；（5）对考虑泵塔结构的LNG液舱模型进行了晃荡试验，试验结果表明泵塔结构不会影响液舱内部液体的固有频率。同时测量了泵塔顶部的受力情况，并与数值方法做了对比，该数值方法首先由Morison公式及晃荡数值模拟得到晃荡载荷，进而对泵塔进行结构强度分析。本文研究的创新性可以总结为以下三个方面：（1）设计了大型LNG船液舱模型晃荡试验方法，通过分析试验结果表明，LNG液舱70%H高度以上的舱壁是受到晃荡冲击压力最大的危险区域，液舱纵摇运动时，70%H是最危险装载高度；液舱横摇运动时，52.5%H是最危险装载高度，一旦船舶运动频率接近舱内液体固有频率，会产生最大的晃荡冲击压力；（2）设计并进行了含有内部结构的VLGC船液舱模型晃荡试验，验证了数值方法的准确性。通过对VLGC液舱数值模型的研究，表明内部结构虽然能够减小共振频率下的晃荡冲击压力，但是，如果某一外部激励频率更接近于含内部结构液舱液体的固有频率，相比不含内部结构的液舱，含内部结构的液舱受到的冲击压力反而可能更大。因此，液舱结构设计时，需结合船舶实际航行工况优化合理的内部结构。（3）提出了考虑泵塔结构的LNG液舱模型晃荡试验方法，通过测量晃荡压力和泵塔顶部支座力，分析了泵塔对于晃荡的影响，以及泵塔结构在晃荡载荷下的响应。在此基础上采用液舱晃荡数值模型和Morison公式对泵塔模型结构进行了分析，通过与试验结果的比较，验证了数值方法的准确性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-33
  1.1 研究背景和意义  13-19
    1.1.1 课题研究的背景  13-18
    1.1.2 课题研究的意义  18-19
  1.2 液舱晃荡的研究进展  19-30
    1.2.1 液舱晃荡的理论研究  19-20
    1.2.2 液舱晃荡的数值研究  20-28
    1.2.3 液舱晃荡的试验研究  28-30
  1.3 当前晃荡问题的研究热点  30-31
  1.4 本文研究内容和创新点  31-33
    1.4.1 本文研究内容  31-32
    1.4.2 本文创新点  32-33
第二章液舱晃荡数值计算模型  33-54
  2.1 数学模型  33-36
    2.1.1 控制方程  33-35
    2.1.2 边界条件  35-36
  2.2 计算模型  36-53
    2.2.1 RANS 方程  36-37
    2.2.2 控制方程的离散  37-44
    2.2.3 速度和压力的计算  44-51
    2.2.4 动网格  51-53
  2.3 本章小结  53-54
第三章液舱模型晃荡试验研究  54-78
  3.1 液舱模型晃荡试验技术  54-60
    3.1.1 相似定律  54-55
    3.1.2 三自由度液舱晃荡模拟装置  55-57
    3.1.3 动态信号采集分析系统  57
    3.1.4 液舱模型晃荡试验流程  57-59
    3.1.5 舱内液体固有频率  59-60
  3.2 LNG、VLGC 液舱模型晃荡试验  60-77
    3.2.1 不考虑泵塔的 LNG 液舱模型晃荡试验  60-67
    3.2.2 考虑泵塔的 LNG 液舱模型晃荡试验  67-71
    3.2.3 考虑内部结构的 VLGC 液舱模型晃荡试验  71-77
  3.3 本章小结  77-78
第四章液舱晃荡数值计算及分析  78-92
  4.1 LNG 船液舱晃荡数值计算  78-85
    4.1.1 数值与试验压力时间历程结果比较  79-84
    4.1.2 数值与试验固有频率结果比较  84-85
  4.2 VLGC 船液舱晃荡数值计算  85-88
    4.2.1 数值与试验压力时间历程比较  86-87
    4.2.2 内部结构对于舱内液体固有频率的影响  87-88
  4.3 数值模拟中模型参数敏感性分析  88-91
    4.3.1 液体密度对于晃荡压力的影响  89
    4.3.2 动力粘度对于晃荡压力的影响  89-90
    4.3.3 气体压强对于晃荡压力的影响  90-91
  4.4 本章小结  91-92
第五章 LNG 船舶泵塔分析  92-105
  5.1 泵塔结构  92-93
  5.2 泵塔载荷  93-95
    5.2.1 晃荡载荷计算  93-94
    5.2.2 温度载荷计算  94
    5.2.3 惯性载荷计算  94-95
  5.3 泵塔结构分析  95-102
    5.3.1 泵塔结构分析流程  95
    5.3.2 液舱晃荡数值计算  95-98
    5.3.3 泵塔结构分析  98-102
  5.4 泵塔模型试验与数值比较  102-104
    5.4.1 泵塔模型晃荡试验  102
    5.4.2 数值与试验结果比较  102-104
  5.5 本章小结  104-105
第六章总结与展望  105-107
  6.1 总结  105-106
  6.2 展望  106-107
参考文献  107-115
致谢  115-116
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  116-117
攻读博士学位期间参与的科研项目  117

液货船液舱晃荡问题研究

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