一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法技术

本发明专利技术公开一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，属于海洋流体制荡技术领域，根据实际需要，在浮式制荡板模型构建时融入更多的制荡机理来提升制荡性能，依据液舱的具体结构，融合若干种可以产生协同强化作用的制荡机理来指导设计复合制荡隔板形式，并结合实际工程的需要确定其构件尺寸变化的范围；基于黏流理论，构建液舱晃荡的数值模型，通过对比已有的物模实验，验证数值模型的可靠性；同时采用单路径寻优法依托数模快速探寻浮式隔板各构件的最佳尺寸，同步判断复合模型设计的合理性，克服了由于多因素耦合作用导致的穷举法在黏流理论计算寻优中的效率低下的问题，实现快速生成最佳设计方案的目的

【技术实现步骤摘要】
一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法


[0001]本专利技术涉及一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，属于海洋流体制荡

。

技术介绍

[0002]液化天然气在能源领域供应中的占比随着现代工业的高速发展正在逐年增长，这同时也推动了全世界对
LNG
船需求的增长
。LNG
船等各类液货船舶由于自然蒸发的问题，其液舱通常处于部分填充的状态，当受到波浪等外部激励的作用时，液舱内可能会产生晃荡现象
。
晃荡是一种具有较强非线性的流体运动，通常伴随着自由液面的翻转和破碎，在外部激励接近其固有频率时内部流体运动会更加剧烈
。
由于液舱内部结构通常比较脆弱，晃荡产生的冲击力容易对舱壁结构产生破坏从而诱发安全事故
。
因此，研究如何经济高效的抑制液舱内流体晃荡具有广泛的工程背景和重要的学术价值
。
[0003]目前，液舱制荡的隔板形式大多是结构简单的固定式隔板，包括横隔板，竖隔板和各类组合隔板，固定式隔板的最大问题在于其制荡性能受液舱填充率的影响较大
。
当液舱内载液深度变化时，其抑制晃荡的效果无法得到保证
。
因此，采用可随液深进行自动调整高度的漂浮式隔板看起来更有发展前景，然而目前漂浮式隔板的技术研究较少，结构形式较为简单，多采用单板结构，通过切割自由液面，将其固有频率向高频转移来抑制共振的发生
。
尽管一部分现有技术如中国专利公开号为
CN109080776A
，公开的一种液舱中液体晃荡的制荡装置及液舱，其中采用了两个浮板，并且对其底部进行了开孔导流，但实际上相互独立，设计的时候并未考虑浮隔板运动产生的威胁，其在大幅激励情况下存在剧烈冲顶现象，严重时可以损毁液舱顶盖结构
。
此外，该专利技术并未针对隔板尺寸进行探讨，也未能给出可进一步提升隔板制荡性能的构件尺寸优化方法，设计制荡板时采用的制荡机理比较单一
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，解决了现有技术中出现的问题
。
[0005]本专利技术所述的一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，用于实现漂浮式复合制荡隔板的结构定型及尺寸优化，包括以下步骤：
S1
：根据浮式液舱的舱室结构，融合若干种制荡机理构建复合制荡隔板形式，确定复合制荡隔板构件尺寸变化的范围；
S2
：基于黏流理论，构建液舱晃荡的数值模型，通过对比已有的物模实验，验证数值模型的可靠性；
S3
：在液舱最危险载液率工况下，采用自由衰减法求得液面变化的时程曲线，应用快速傅里叶变换计算液舱共振的一阶固有频率；
S4
：对装有制荡板的液舱施加外界正弦激励信号，外界正弦激励信号的频率等于浮式液舱一阶固有频率；
S5
：提取边侧浮式液舱舱壁液面变化的时程曲线，利用激励振幅进行无量纲化处理，通过提取浮式液舱最大幅值来评判液舱晃荡的剧烈程度，依据频谱成分来分析浮式液舱晃荡的非线性效应；
S6
：明晰复合制荡隔板的可优化参量个数，按照各项指标赋予不同权重，通过综合排序后依次进行优化分析，对于正在寻优的目标变量采用遍历法分别进行晃荡模拟，通过对比分析，确定复合制荡隔板最优尺寸大小
。
[0006]还包括对复合制荡隔板设计的检验和制荡性能分析步骤，具体包括以下：
S11
：提取晃荡稳态过程中的速度场
、
波面形态以及复合制荡隔板的运动形式，进一步分析多种制荡机理耦合的作用效果，判断检验复合制荡隔板设计的合理性；
S12
：遴选最优复合制荡隔板结构之后，改变外界激励频率及振幅，分析制荡效果的差异，若差异在工程接受范围之内，则定型及优化设计结束，如果差异不在工程接受范围之内，则依据步骤
S11
中性能判别指标进行修改，再次进行制荡性能分析
。
[0007]进一步的，步骤
S2
中构建液舱晃荡的数值模型包括对计算的流体域进行离散和使用流体体积法捕捉自由液面
。
[0008]进一步的，步骤
S2
中基于有限体积法对计算的流体域进行离散，有限体积法是基于网格来实现控制方程的离散，每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，在网格上将偏微分方程转化为各节点的方程组
。
[0009]进一步的，有限体积法包括以下计算公式：
ꢀꢀꢀꢀ
[0010]其中：为流体密度，为特征量，为流体速度，为体积，为表面积，为伽马函数，为时间；与的体积分通过
Orga
公式转换为面积分：
[0011]因此，公式（1）表示为：
[0012]其中：是控制体表面的外法线方向；的意义为控制的变量体积中特征量随时间的变化；是沿着
n
方向的流率；表示向外部控制体积的扩散率，为流体面积；为流场中特征物理量
。
[0013]进一步的，使用流体体积法捕捉自由液面时通过计算每个网格中多相流的体积分数实现对多相流交界面的捕捉，在网格分辨率足够的情况下，能够求解出相间交界面的位置与形状
。
[0014]进一步的，流体体积法具体包括以下计算公式：流体体积函数的体积分数定义如下：
；
<<
；；
[0015]体积分数满足边界表面方程，如下式所示：
[0016]两相流的密度和动力粘度系数的表达式为：
[0017]和分别表示液体和气体，和分别表示液体和气体的密度
。
和分别表示液体和气体的动力粘度系数
。
表示液体对于两相流密度的贡献，表示液体对于两相流粘度系数的贡献
。
[0018]进一步的，还包括通过重叠网格法实现复合制荡隔板的运动，重叠网格分为背景网格和部件网格两部分，部件网格的外边界为重叠网格边界，初始化以及部件网格发生运动时，首先对背景网格进行孔切削，将背景网格中求解完全来自部件网格的区域设置为非活动状态，这部分网格不参与离散控制方程的求解；其次，对穿过最后一个活动状态网格和重叠网格边界的网格面的通量求取近似值
。
[0019]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术所述的一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，在初始设计阶段便考虑融入多种制荡机理的耦合作用，通过构建复合制荡隔板的形式提升制荡性能，克服现有的基于单一制荡机理设计制荡板的局限性
。
[0020]本专利技术首先提出了针对漂浮式复合制荡隔板构件进行结构尺寸优化的通用方法，可以用来指导任何形式的浮式制荡隔板的开发和优化设计，也可以进一步拓展到固定式复合隔板的设计和优化当中
。
[0021]本专利技术的优化寻优策略解决了基于黏流理论开展复杂构件尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，用于实现漂浮式复合制荡隔板的结构定型及尺寸优化，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
S1
：根据浮式液舱的舱室结构，融合若干种制荡机理构建复合制荡隔板形式，确定复合制荡隔板构件尺寸变化的范围；
S2
：基于黏流理论，构建液舱晃荡的数值模型，通过对比已有的物模实验，验证数值模型的可靠性；
S3
：在液舱最危险载液率工况下，采用自由衰减法求得液面变化的时程曲线，应用快速傅里叶变换计算液舱共振的一阶固有频率；
S4
：对装有制荡板的液舱施加外界正弦激励信号，外界正弦激励信号的频率等于浮式液舱一阶固有频率；
S5
：提取边侧浮式液舱舱壁液面变化的时程曲线，利用激励振幅进行无量纲化处理，通过提取浮式液舱最大幅值来评判液舱晃荡的剧烈程度，依据频谱成分来分析浮式液舱晃荡的非线性效应；
S6
：明晰复合制荡隔板的可优化参量个数，按照各项指标赋予不同权重，通过综合排序后依次进行优化分析，对于正在寻优的目标变量采用遍历法分别进行晃荡模拟，通过对比分析，确定复合制荡隔板最优尺寸大小
。2.
根据权利要求1所述的一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，其特征在于：还包括对复合制荡隔板设计的检验和制荡性能分析步骤，具体包括以下：
S11
：提取晃荡稳态过程中的速度场
、
波面形态以及复合制荡隔板的运动形式，进一步分析制荡机理耦合的作用效果，判断检验复合制荡隔板设计的合理性；
S12
：遴选最优复合制荡隔板结构之后，改变外界激励频率及振幅，分析制荡效果的差异，若差异在工程接受范围之内，则定型及优化设计结束，如果差异不在工程接受范围之内，则依据步骤
S11
中性能判别指标进行修改，再次进行制荡性能分析
。3.
根据权利要求1所述的一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法，其特征在于：所述的步骤
S2
中构建液舱晃荡的数值模型包括对计算的流体域进行离散和使用流体体积法捕捉自由液面
。4.
根据权利要求3所述的一种浮式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张茴栋，陶山山，辛忠旭，史宏达，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：