李潤澤，陶延武，靖金澎，陳 凱

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

當(dāng)液艙部分裝載時(shí)會(huì)在外界激勵(lì)下引起液艙晃蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響船舶的航運(yùn)和作業(yè)安全，文獻(xiàn)[1]中記載了因液艙晃蕩損壞船體的案例，因此研究加注下的液艙晃蕩這一復(fù)雜耦合問題具有重要意義。針對該問題可以通過數(shù)值模擬進(jìn)行定性或定量研究，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際研究。

目前有關(guān)加注的研究主要有：張乾等分析了加注速度和液艙內(nèi)油氣蒸發(fā)速率之間的關(guān)系；袁世杰等探究了強(qiáng)迫晃蕩過程中加注速度與加注管背壓及油品運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；陳欣欣對不同參數(shù)(加注速度和加注角度)下的淹沒射流進(jìn)行了研究。在液艙晃蕩研究方面：陳曉東等通過模型試驗(yàn)探討了液艙模型與載液率、激勵(lì)幅值和運(yùn)動(dòng)周期3個(gè)因素的關(guān)系；邵珠峰通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了不同工況(波浪頻率、浪向角和載液率)對液艙運(yùn)動(dòng)的影響；ACANFORA等在客輪船體上進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)研究，研究了甲板、發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)艙障礙物對破損船舶進(jìn)水后船舶橫搖響應(yīng)的影響；KAWAHASHI等討論了FLNG運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部液體在不同載液率狀態(tài)下晃蕩的耦合影響。

本文首先根據(jù)文獻(xiàn)[2-4]了解到加注中的液艙晃蕩這一復(fù)雜耦合運(yùn)動(dòng)主要受加注速度的影響，并據(jù)此設(shè)計(jì)出試驗(yàn)中關(guān)于加注的部分；其次根據(jù)文獻(xiàn)[5-8]將液艙載液率作為影響液艙晃蕩與運(yùn)動(dòng)的因素，并參考文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)一步完善試驗(yàn)方案；最后根據(jù)試驗(yàn)方案對持續(xù)加注、液艙晃蕩與液艙運(yùn)動(dòng)相耦合的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。

1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)中的模型是由內(nèi)外艙組合而成，通過螺絲連接，便于安裝和拆卸，質(zhì)量為29.45 kg，其重心高度距離模型底部為0.135 m。具體尺寸見圖1。

圖1 液艙模型示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)總布置圖見圖2。液艙在加注時(shí)需要保持流速恒定，選取大流量蠕動(dòng)泵進(jìn)行加注，每分鐘流量最大32 L，流量精度最高可以達(dá)到1%以內(nèi)，總計(jì)共4個(gè)通道。蠕動(dòng)泵在輸送液體時(shí)電機(jī)的擠壓會(huì)使流出的液體產(chǎn)生脈沖，因此首先通過均流器將4條支路匯合，然后使用脈沖阻尼器抑制脈沖。在管路終點(diǎn)需要透明加注管來觀察管內(nèi)是否存有氣泡，其內(nèi)徑20 mm、外徑24 mm。另外，為了保證管內(nèi)流體充分流動(dòng)，管的長度選取60倍直徑，令直管出口中心點(diǎn)與液艙底部的垂直高度為20 mm。本試驗(yàn)中使用了2個(gè)水池，其中：一個(gè)尺寸為5 m×3 m×1 m用于靜水試驗(yàn)的大型試驗(yàn)水池，蓄水深度為0.6 m；另一個(gè)為1 m×1 m×1 m為蠕動(dòng)泵提供水源。

D—加注管內(nèi)徑；h—艙內(nèi)液面高度。

液艙模型側(cè)視詳解圖見圖3。在測量模型的艙壁壓力和橫搖角度時(shí)需要用到壓力傳感器和角度傳感器。前者的量程為5 kPa，輸出電壓為0～5 V，動(dòng)態(tài)頻率為2 kHz，精度為±0.5%，分別在艙壁兩側(cè)距離液艙底部1 cm處；后者的量程為±30°,實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信號采用雙軸組合慣性測量單元進(jìn)行采集記錄，角度傳感器水平固定安裝于模型底部轉(zhuǎn)動(dòng)中心正下方。具體試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置

d—液艙入水深度；b—液艙內(nèi)部寬度；B—液艙外部寬度；G—重心；H—重心距艙底高度；θ—初始傾斜角；P1、P2—壓力監(jiān)測點(diǎn)。

2 數(shù)值模擬方法和液艙模型

本文的數(shù)值模擬計(jì)算是基于CFD軟件STAR-CCM中的不可壓縮流體模型，利用重疊網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建模型并結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)理論預(yù)測模型的運(yùn)動(dòng)，選取SST-湍流模型，運(yùn)用有限體積法對流場域進(jìn)行離散，結(jié)合SIMPLE算法求解計(jì)算域中的物理場。數(shù)值水池與試驗(yàn)水池大小保持一致，其中四周與底面為壁面條件，頂面為壓力出口，加注口為速度入口，三維水池見圖4。

圖4 三維水池示意圖

劃分網(wǎng)格時(shí)通過切割體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行劃分，對加注口處和液面運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行加密，具體加密情況見圖5。

圖5 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果討論和分析

3.1 不同載液率下加注對液艙橫搖衰減的影響

首先引入對數(shù)衰減率來描述液艙衰減的快慢。相鄰兩次振幅之比的自然對數(shù)叫做對數(shù)衰減率，其越大說明液艙衰減越快，通過多個(gè)周期的對數(shù)衰減率計(jì)算可提高數(shù)據(jù)精度，計(jì)算公式為：

(1)

式中：為衰減波形上同一方向的振幅；為相鄰振幅的數(shù)量。

衰減波形示意圖見圖6。

u1～u5—振幅；t1～t5—時(shí)間。

30%和50%載液率下液艙的橫搖角度時(shí)歷曲線見圖7。為更清晰地分析不同載液率下加注速度對液艙橫搖衰減速度和橫搖頻率的影響，將圖7中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加注速度和橫搖頻率及對數(shù)衰減率的關(guān)系，見圖8。

圖7 不同載液率10°初始橫傾角狀態(tài)下的液艙橫搖

圖8 不同載液率加注速度與橫搖頻率和對數(shù)衰減率的關(guān)系

由圖8可知，30%載液率狀態(tài)下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時(shí)，液艙橫搖頻率為0.528、0.531、0.533、0.532 Hz；50%載液率狀態(tài)下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時(shí)，液艙橫搖頻率為0.526、0.525、0.517、0.506 Hz。載液率較高時(shí)，液艙橫搖頻率較小，并且載液率越高，加注速度的變化對液艙橫搖頻率的影響越大，加注速度越大液艙橫搖頻率越小。30%載液率下的加注速度對液艙橫搖頻率影響較小。

30%載液率工況下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時(shí)，對數(shù)衰減率為0.146、0.170、0.158和0.172；50%載液率狀態(tài)下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時(shí)，對數(shù)衰減率為0.172、0.176、0.183和0.179。排除基線取值可能導(dǎo)致的誤差，液艙載液率越高其自由衰減越快，并且加注會(huì)加快橫搖衰減的速度。

不同載液率10°初始橫搖角狀態(tài)下的壓力變化見圖9。圖9中壓力曲線是由點(diǎn)所得，較為平滑，這表明液面無劇烈波動(dòng)，壓力隨艙內(nèi)液體增加呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的周期性變化。這說明當(dāng)艙內(nèi)液體無劇烈波動(dòng)時(shí)，加注對艙壁壓力無明顯影響。

圖9 不同載液率10°初始橫搖角狀態(tài)下的壓力變化

3.2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

液位較高時(shí)，加注對液艙橫搖衰減的影響較大。為了更清晰地分析加注對液艙運(yùn)動(dòng)的影響，對50%載液率工況下的液艙加注進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。圖10和圖11為相應(yīng)的橫搖和壓力時(shí)歷曲線。

圖10 不同加注速度工況下的液艙橫搖時(shí)歷圖

圖11 不同加注速度工況下的艙壁壓力時(shí)歷圖

根據(jù)圖10和圖11得到的數(shù)值模擬與試驗(yàn)之間的數(shù)據(jù)對比見表2。

通過與試驗(yàn)對比驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。表2中有個(gè)別數(shù)據(jù)相差較大，這主要是由于橫搖角度的所測范圍較小，角度傳感器易受模型震動(dòng)影響。另外，試驗(yàn)中加注與模型釋放需要同步進(jìn)行，在操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)差。

表2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)液艙載液率越高，其橫搖頻率越低；低載液率工況下，加注對液艙橫搖頻率影響較小；高載液率工況下，加注速度越大，液艙的橫搖頻率越低。

(2)液艙載液率越高，其在靜水中橫搖衰減的速度越慢；加注會(huì)使液艙橫搖衰減速度加快，加注速度變化對低載液率的液艙橫搖衰減影響波動(dòng)更大。

(3)液艙做自由衰減運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)艙內(nèi)液面無劇烈波動(dòng)，加注對艙壁壓力無明顯影響，艙壁壓力主要和艙內(nèi)液體的動(dòng)壓強(qiáng)有關(guān)。