晃荡

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌(不规则波动)的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

磁镜中晃荡电子形成热垒的实验研究

本文在实验上研究了ＥＣＲＨ产生晃荡电子形成串级磁镜热垒的可行性，并对等离子体电位进行了测量。研究结果表明，ＥＣＲＨ产生晃荡电子形成热垒是成功的。     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

FPSO船与低充水率下LNG液舱晃荡耦合运动的数值模拟

应用数值模拟方法对FPSO船舶运动与LNG液舱晃荡耦合问题进行了研究.这种全耦合问题的研究基于开源平台OpenFOAM开发的船舶与海洋工程水动力CFD求解器——naoe-FOAM-SJ-TU进行计算.液舱内部流场与外部流场同时求解.采用带有两个LNG液舱的FPSO船作为对象进行数值模拟,船舶放开3个自由度运动,并在90°浪向的规则波中进行模拟.液舱充水率为20％～20％,低于船外自由水面高度.这种低充水率的液舱会大大减少船舶的横摇运动,并且舱内的流体情况较为复杂.考虑了4种不同的入射波频率下船舶的运动,与实验结果进行了对比.数值模拟结果与实验结果对比吻合良好,验证了数值求解方法的可靠性.还对大波高情况下带有低充水率LNG液舱的船舶运动进行了数值模拟分析.在船舶运动与液舱晃荡全耦合情况下,观察到了液舱内流体的剧烈晃荡和舱壁的脉冲压力.     

磁镜中晃荡电子形成热垒的动力学计算

对电子回旋共振加热（ECRH）产生晃荡电子形成串级磁镜热垒的物理过程进行了Fokker-Planck动力学计算，计算表明：（1）在一定条件下，晃荡电子等离子体位形形成，其密度比n_eh（Z_r）/n_eh（O）=2.15，且形成了ΔΦ=16.5V的静电势阱；（2）静电势阱的建立分为迅速建立、逐渐减少和稳定平衡三个阶段，这是ECRH、碰撞散射和俘获离子共同作用的结果 关键词：     

耦合船体横摇的减摇水舱流体运动和减摇效果预测

减摇水舱用于减小船体的横摇运动。由于水舱内部结构复杂,导致流体晃荡呈非线性。为了降低预测水舱特性和减摇效果的难度,采用计算流体力学VOF模型来分析水舱中流体的晃荡,在时域内,运用数值方法完成船体非线性横摇运动的实时仿真,其中耦合了水舱中流体和船体的运动。船体随机横摇时,进行水舱流体流量和力矩的功率谱分析,得到减摇频率范围及减摇前后的效果。结果表明,在其减摇频率范围内,减摇水舱具有良好的减摇能力,验证了此方法的可行性。     

运行VOF法模拟LNG液舱的晃荡特性

液舱晃荡引起的载荷己成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一、以及船舶结构动力学的一个热点.文中首先运用VOF法建立LNG晃荡液舱模型,给出对LNG液舱晃荡特性数值模拟方法,运用模拟结果讨论不同工况(如装载率、频率、横摇角度幅值)下晃荡动压特性,在此基础上给出了LNG液舱的晃荡载荷特性与抑制晃荡的措施.     

液舱横荡非结构网格高阶格式数值模拟

提出一种液舱横荡数值模拟的方法,将气液两相交界面视为物理间断,通过高阶精度离散格式捕捉间断.根据NVD(Normalized Variable Diagram)实现非结构化网格上高精度离散格式,建立固定网格上自由表面运动模拟方法.在开发的非结构网格有限体积法求解器GTEA(General Transport Equation Analyzer)基础上,实现上述方法.首先对经典的溃坝过程进行模拟,并与文献结果对比验证方法和程序的可信度.对二维矩形液舱在不同激振频率时的横荡进行数值计算,并与实验以及商业软件CFX计算结果进行比较.结果表明方法和软件可以模拟自由面的翻卷、破碎运动现象,对距自由面较深点处流体载荷的计算结果与实验值符合较好,与商业软件CFX相比,在相同计算网格下,算法可以更好的计算次峰值,验证方法正确可行.     

基于WENO-THINC/WLIC模型的水气二相流数值模拟

水气二相流与诸多领域的实际工程问题密切相关. 对二相流运动进行高精度的数值模拟是计算流体力学研究的难点和热点. 针对开敞水域的自由表面流运动问题, 将水和空气均视为不可压缩流体, 采用五阶加权基本无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式求解描述流体运动的纳维斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程, 利用以加权线性界面算法改进的多维双曲正切函数界面捕捉法(tangent of hyperbola for interface capturing with weighed line interface calculation, THINC/WLIC)追踪水气界面, 建立WENO-THINC/WLIC水气二相流运动数值模型. 模型采用分步计算法离散求解控制方程, 通过压力投影法求解压强场, 并利用三阶总变差递减(total variation diminishing, TVD)龙格库塔(Runge-Kutta, RK)法对时间项进行离散求解. 通过对环境速度场下Zalesak's disk和shearing vortex界面运动问题, 线性液舱晃荡问题以及溃坝问题的模拟结果与理论分析或试验结果的比较, 对所建立的水气二相流数值模型的适用性及模拟精度进行了验证. 结果表明, 本模型的模拟结果与物理模型或理论分析结果吻合良好, 能较为准确地再现不可压缩水气二相流运动现象. 鉴于WENO格式和THINC法本身在算法及应用等方面仍在不断改进, 本研究提出的WENO-THINC耦合模型为后续更高精度的二相流计算模型开发提供了一种研究思路.      

耦合船体横摇的减摇水舱流体运动和减摇效果预测Fluid motion and stabilization effect prediction of anti-rolling tank coupled ship rolling

减摇水舱用于减小船体的横摇运动。由于水舱内部结构复杂,导致流体晃荡呈非线性。为了降低预测水舱特性和减摇效果的难度,采用计算流体力学VOF模型来分析水舱中流体的晃荡,在时域内,运用数值方法完成船体非线性横摇运动的实时仿真,其中耦合了水舱中流体和船体的运动。船体随机横摇时,进行水舱流体流量和力矩的功率谱分析,得到减摇频率范围及减摇前后的效果。结果表明,在其减摇频率范围内,减摇水舱具有良好的减摇能力,验证了此方法的可行性。