劉楨兵

（英國斯特拉斯克萊德大學(xué)，英國格拉斯哥G11XQ/G 13）

在船舶工程上，由晃蕩引起的自由液面的流體影響會(huì)導(dǎo)致船舶的操縱性和穩(wěn)定性降低，同時(shí)伴隨著結(jié)構(gòu)上的破壞（Clearly［2］，1982;Bass 等人［3］，1980）利用 CFD 軟件及 Matlab，Tecplot等圖形處理處理軟件對不同液艙形式以及不同晃蕩幅度下的液體晃蕩以及自由液面進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算比較。針對矩形艙室提出了抑止晃蕩的方法并進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，并且考慮到載液船在航行中所遇到的各種特殊海況，在外加激勵(lì)上選擇了單自由度激勵(lì)以及多自由度耦合激勵(lì)的不同工況，提高了計(jì)算結(jié)果的實(shí)效性。

1 建模以及網(wǎng)格類型

所有的建模和網(wǎng)格劃分都是在Gambit軟件上完成的。Gambit可以生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來處理對計(jì)算硬件計(jì)算能力要求較高，且使用的二維模型是規(guī)則幾何形狀，因此計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。此外，網(wǎng)格數(shù)量與時(shí)間步長的選擇對數(shù)值計(jì)算是有影響的。網(wǎng)格數(shù)量太多時(shí)要求時(shí)間步長很小，這樣會(huì)大大增加計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間;網(wǎng)格數(shù)量太少時(shí)計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間縮短許多，但是求解所得的結(jié)果不夠精確。因此網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)當(dāng)適中，兼顧運(yùn)行的效率和結(jié)果的精度。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 計(jì)算模型

給定液艙模型（圖1、表1）幾種典型的艙室結(jié)構(gòu)和劃分，艙寬1.5 m，高1 m，靜水位0.8 m?？紤]4種不同液艙結(jié)構(gòu)分別為:

表1 4種艙室結(jié)構(gòu)的劃分情況

圖1 幾種典型的艙室結(jié)構(gòu)（單位:m）

①艙底中部加擋板;②艙底等距離加兩個(gè)擋板;③在艙壁中部加設(shè)T型材。

外界激勵(lì)通過UDF導(dǎo)入，單個(gè)激勵(lì)數(shù)值分別是:外界激勵(lì)的橫搖幅值為0.6°，周期為1 s，搖蕩中心位于艙底中部;外界激勵(lì)的橫蕩幅值為0.043 m，周期為1.19 s，搖蕩中心位于艙底中部;外界激勵(lì)的垂蕩幅值為0.043 m，周期為1.19 s，搖蕩中心位于艙底中部。

算例取了3種不同激勵(lì)耦合情況:① 橫蕩;②橫蕩+橫搖;③ 橫蕩+橫搖+垂蕩。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

由于都是在同等的條件和外部激勵(lì)下，僅僅是液艙的結(jié)構(gòu)作了變化，所以4種液艙結(jié)構(gòu)形式（表1）的計(jì)算結(jié)果之間具有可比性。以圖2中紅色曲線為結(jié)構(gòu)I的壓強(qiáng)時(shí)間歷程。①②③④為壓強(qiáng)檢測的4個(gè)點(diǎn)。

圖2 結(jié)構(gòu)I和II在艙壁上不同點(diǎn)處壓強(qiáng)時(shí)歷

（1）算例一:單項(xiàng)激勵(lì)（橫蕩）作用。圖2分別給出了液艙結(jié)構(gòu)I和II在①、②、③、④處的壓強(qiáng)值。對比計(jì)算結(jié)果圖發(fā)現(xiàn):在液艙中加防晃檔板有制蕩作用，觀察圖2，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)II晃蕩波面的幅值小于結(jié)構(gòu)I的值，并且在高度方向上越接近擋板的監(jiān)測點(diǎn)的幅值減小越明顯，即防晃效果更好。由于擋板的存在，一是減緩了液體向另一側(cè)的流動(dòng)，另一個(gè)是粘性液體流動(dòng)時(shí)，在擋板前后出現(xiàn)了旋渦，如圖3，而旋渦會(huì)耗散能量，所以加設(shè)擋板之后能有效地抑制液艙內(nèi)的晃蕩［4］

圖3 艙內(nèi)流線圖

（2）算例二:兩項(xiàng)耦合激勵(lì)作用（橫搖+橫蕩）。圖4分別給出了液艙結(jié)構(gòu)I、II、Ⅲ在①、②、③、④處的壓強(qiáng)值。

對比計(jì)算結(jié)果圖發(fā)現(xiàn):在液艙中加設(shè)多于一個(gè)防晃檔板有更好的制蕩作用，觀察圖4，很明顯地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Ⅲ晃蕩波面的幅值小于結(jié)構(gòu)Ⅱ的值，即防晃效果更好。多個(gè)擋板減緩了液體向另一側(cè)的流動(dòng)，更容易使粘性液體流動(dòng)時(shí)在擋板前后出現(xiàn)旋渦，所以加設(shè)多個(gè)底部擋板能更有效地抑制液艙內(nèi)的晃蕩。

圖4 結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在艙壁上不同點(diǎn)處壓強(qiáng)時(shí)歷

（3）算例三:三項(xiàng)耦合激勵(lì)作用（橫搖+橫蕩+垂蕩）。圖5分別給出了液艙結(jié)構(gòu)I、II、Ⅳ在①、②、③、④處的壓強(qiáng)值。

圖5 結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、在艙壁上不同點(diǎn)處壓強(qiáng)時(shí)歷

圖3-5結(jié)構(gòu)I、II、Ⅳ在艙壁上不同點(diǎn)處壓強(qiáng)時(shí)歷。在艙壁中央加設(shè)T型材后，對比計(jì)算結(jié)果圖，發(fā)現(xiàn)這樣做不僅沒有制蕩的效果，反而加劇了液艙內(nèi)的晃蕩，各點(diǎn)處的壓強(qiáng)值均比沒加的情況來得大。這是由于T型材的面板相當(dāng)于一塊擋板會(huì)對運(yùn)動(dòng)的來流施加一個(gè)反沖擊力，故在各點(diǎn)處的壓強(qiáng)值都有所增大，如圖6。

圖6 艙內(nèi)流線圖

3 結(jié)語

通過對底部中部加剛性擋部、底部等距離加剛性擋板、側(cè)壁加T型材進(jìn)行了計(jì)算和數(shù)據(jù)比較，得出了較為理想的結(jié)果。利用Tecplot的流線繪制功能，驗(yàn)證了底部加擋板的利和側(cè)壁加T型材的弊，同時(shí)擋板的數(shù)量越多，效果越好。

［1］ZHU R，WU Y，INCECIC A.Numerical simulation of liquid sloshing［J］.Shipbuilding of China，2004（2）:18-23

［2］CLERY W A.Subdivision stability liability［J］.Marine Technology，1982，18:38-50

［3］BASS R L ，BOWLES E B，COX P A.Liquid dynamic loads in LNG cargo tanks［J］.Sname Transactions，1980，88:103-126

［4］侯玲.液艙晃蕩與彈性防晃結(jié)構(gòu)的相互耦合作用研究［D］.碩士學(xué)位論文，江蘇科技大學(xué)，2009