壁面结构形式对流体晃荡的影响研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:longzy773
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液舱内晃荡现象广泛存在于海洋工程领域,流体晃荡对液舱产生的破坏可能会造成结构失效和运载装备失稳,如何合理抑制流体晃荡是亟待解决的工程科学问题。因为晃荡过程中流体常包裹空气砰击液舱,所以本文将考虑空气可压缩性,通过分析不同的物理量来研究壁面结构对晃荡的抑制作用以及影响机理。首先,建立液舱的计算模型,确定符合晃荡研究的计算方法。进而将数值模拟结果同理论结果和实验结果对比验证,为下一步研究提供可靠性依据。在此基础上,进行网格无关性检验,保证计算精度的同时降低时间成本。其次,对实体壁面结构的形状、凸起结构下边界与垂直舱壁的夹角变化进行晃荡研究,在不同激励频率下分析了形状与壁面夹角对晃荡的影响。探明了壁面结构形状抑制流体晃荡的机理,以及壁面夹角对壁面最大荷载的影响规律。主要影响具体表现为:一方面,实体凸起结构改变了流体砰击模式,影响了晃荡荷载分布及其作用时间。另一方面,壁面凸起结构能增加湍流强度,提高能量耗散,降低流体对舱壁的冲量。同时,实体凸起结构阻碍了流体由动能向重力势能的转化,导致下部区域产生局部压力集中。通过分析晃荡荷载、流场密度、湍动能和动能耗散等物理量,本文认为正方形(二维)或正方体(三维)在抑制晃荡方面相对比较合理的壁面实体结构形状。然后,研究多孔介质孔隙率、粒径和相对于静止自由液面的位置变化对晃荡的影响,通过改变多孔参数证明了多孔介质对晃荡抑制的有效性,并给出了最优多孔参数。在此基础上,探讨了多孔介质的型式对流体晃荡的影响效果。通过细致分析压力场、速度场、湍动能等的结果表明:多孔介质通过改变流体的速度方向,进而改变流体砰击形式。通过减弱流体的速度大小而直接消耗流体冲击动能。最后,进行高载液率下的研究,通过分析力和力矩结果发现,多孔介质对壁面合力的抑制比实体凸起结构更加明显,而在力矩的抑制方面实体凸起结构更具有优势。由此,本文将实体凸起结构与多孔介质进行组合,通过改变组合形式发现最接近自由液面的多孔介质是抑制晃荡的主导因素。综上,在后续工程设计和研究中可选择实体凸起结构与多孔介质相结合的形式,作为同时抑制晃荡荷载和维持液舱的整体稳定性的有效手段。
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