CN116424482B - 抑制lng储罐液体晃荡的动态dba隔板结构及其方法 - Google Patents
抑制lng储罐液体晃荡的动态dba隔板结构及其方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116424482B CN116424482B CN202310412107.6A CN202310412107A CN116424482B CN 116424482 B CN116424482 B CN 116424482B CN 202310412107 A CN202310412107 A CN 202310412107A CN 116424482 B CN116424482 B CN 116424482B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- liquid
- tank
- dba
- baffle
- sloshing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 158
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 47
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 19
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 5
- 230000035772 mutation Effects 0.000 claims description 4
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 28
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING
- B63B17/00—Vessels parts, details, or accessories, not otherwise provided for
- B63B17/0027—Tanks for fuel or the like ; Accessories therefor, e.g. tank filler caps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING
- B63B25/00—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby
- B63B25/02—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods
- B63B25/08—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid
- B63B25/12—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid closed
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
- G06F17/13—Differential equations
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Geometry (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Ocean & Marine Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Algebra (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
本发明公开一种抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构及其方法，属于流体制荡技术领域，包括隔板结构本体，所述的隔板结构本体包括上下布置的翼缘板和竖直板，所述翼缘板和竖直板相连接且连接部位处设有铰接点，所述翼缘板的转角随液深的变化通过铰接点自动进行调节，从而达到最佳制荡效果。本发明提出了新型DBA隔板结构，通过液面高度、冲击压强、速度幅值和流动状态分析不同激励条件下液舱的晃荡程度，探寻出隔板制荡的最佳形式及制荡方案。解决了现有技术中出现的液舱制荡效果欠佳的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构及其方法，属于流体制荡技术领域。
背景技术
LNG造船业得以蓬勃发展，其储罐中液体的晃荡逐渐成为船舶研究中的热门问题。液舱晃荡是指部分充满液体的液舱在受到外部激励时，舱内具有自由表面的液体发生剧烈运动的一种现象。当外界激励频率接近液舱的固有频率或者激励振幅较大时，会引起舱内液体发生剧烈晃荡，其产生的冲击压力可能会损坏储罐舱壁，对经济、环境和安全产生不利的影响。因此，提出一种有效的制荡结构对海上作业以及运输安全具有重要意义。
在理论分析方面，Faltinsen等使用多模态方法(multimodal method)建立了矩形液舱中晃荡问题的非线性解析解，因而可以更加准确地预测晃荡对舱壁产生的动压力。Miao等通过理论方法，分析了内部带有隔板的圆柱体储罐在外界激励下的晃荡荷载问题。Zhang等基于势流理论和摄动对三维液舱在横荡和纵荡耦合激励下的晃荡问题进行了研究。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的成熟和实验结果精度的提升，这为分析晃荡问题提供了更多的方法。
针对内置隔板制荡问题，Liu和Lin基于Navier-Stokes方程，运用界面捕捉的方法研究带有竖隔板的液舱晃荡问题。Tang等则进一步改进了液舱的竖隔板结构，提出一种不均匀挡板高度分配的方案，并论证了挡板高度的分配模式会对液舱晃荡产生显著的影响。Wang等基于线性势流理论详细推导了晃荡问题的SBFEM(Scaled boundary finiteelement method)方程，研究了T型隔板中载液率、隔板的排列方式和隔板的长度对晃荡频率、相应的晃荡模态和波幅的影响。Sanapala等采用数值模拟的方法研究了部分充液的矩形液舱在竖向简谐激励和地震激励下的晃荡动力学问题，得到了挡板的最佳位置和宽度。Xue等通过试验的方法研究了不同的竖直隔板对晃荡压力的影响，试验结果表明，竖直隔板会改变液舱的一阶固有频率，同时降低舱壁处的冲击压力。Jian等采用IRF(impulse-response-function)方法和CFD方法相结合的混合数值模型，研究了不同参数的横隔板对晃荡抑制的效果，结果发现采用多层水平隔板可有效地抑制晃荡响应。Kargbo等建立了矩形液舱内因密度分层的油水与T形挡板形式的刚性多孔结构相互作用的数值模型，分析了多孔结构在不同工况下的阻尼效果及对液舱壁面处波面高度和冲击压力的影响。
综上所述，目前大部分工作是针对传统固定式隔板，即横隔板、竖隔板以及T型隔板所做的研究，其制荡效果有很大的局限性。为进一步提升装置的制荡性能，提出一种可自动适应载液率及外部激励变化，并且能实现在不同工况组合下制荡效果最优的隔板结构成为目前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构及其方法，解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构，包括隔板结构本体，所述的隔板结构本体包括上下布置的翼缘板和竖直板，所述翼缘板和竖直板相连接且连接部位处设有铰接点，所述翼缘板的转角随液深的变化通过铰接点自动进行调节。
进一步的，隔板结构本体设置在液舱中，所述翼缘板包括第一翼缘板和第二翼缘板，所述第一翼缘板和第二翼缘板基于Y轴对称分布。
进一步的，翼缘板随液深变化其转角的可转动范围介于-90°~90°之间。
优选的，最危险载液率工况下，翼缘板与竖直板等长且转角为60°。
本发明所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计及优化方法，包括以下步骤：
S1：根据流体的运动受到守恒定律的控制，守恒定律包括质量守恒、动量守恒和能量守恒，这些守恒定律采用控制方程进行数学描述，形成流体控制的数值模型；
S2：采用控制方法对自由液面进行捕捉，引入一个流体体积函数，根据体积分数的值，判断液舱中某一位置是否存在液体；
S3：模拟液舱内液体的晃荡，对液舱施加一个外界激励，如果外部激励频率接近液舱的固有频率，就会发生共振现象，产生剧烈的晃荡；
S4：模拟分析不同外界激励条件下，不同转角和尺寸的DBA隔板结构对液舱的制荡效果，分析晃荡过程中DBA隔板结构对液舱固有频率、波幅极值、舱壁压强的作用，得到DBA隔板结构最优的设计参数。
进一步的，步骤S1中流体控制的数值模块具体包括如下步骤：首先，流体满足质量守恒定律，即流体单元在单位时间内的质量增加等于在同一时间间隔内流入单元的净质量，其数学表达式为：
其中，代表液体的密度，t代表时间，x i 和u i 分别表示i方向上的空间坐标和速度；
其次，流体满足动量守恒定律，流体单元中动量的变化率等于作用于这个单元上的各种外力的总和。动量守恒方程又称N-S方程，其表达式为：
其中，p为流体压强，为网格运动在i方向上的速度分量，µ为流体动力学黏性系数，/>为单位体积流体所受到的体积力，其余变量的物理含义与公式(1)中的完全相同；
采用标准k-ε模型，该模型由湍流能量k和湍流耗散率ε方程组成：
其中，是层流粘性系数，/>是湍流粘性系数，/>是由平均速度梯度引起的湍流能量k的生成项，计算公式如下：
其中，x i 和u i 分别表示i方向上的空间坐标和速度；x j 和u j 分别表示j方向上的空间坐
标和速度，模型常数项取值如下：
。
进一步的，步骤S2中控制方法的基本思想是引入一个流体体积函数，其定义如下：
根据体积分数的值，判断网格单元中是否存在液体，评判标准如下：
将的等值面看作液舱内的自由液面。
进一步的，步骤S3中施加激励前对液舱的固有频率进行计算，对于液舱其计算公式如下：
式中，h为液体高度，L为液舱长度，和/>分别代表圆频率和波数，m代表晃荡模态的阶数；当m=1时，对应的是液舱的一阶固有频率。
进一步的，步骤S4中分析晃荡过程中DBA隔板结构对液舱（1）固有频率的作用具体包括以下步骤：
S11：首先对无隔板液舱进行分析，通过数值方法模拟液面的自由衰减试验，在初始时刻给舱内液体设定一个初始液面，舱内液体在因重力引发的晃荡过程中会显示其固有谐振的特征，为了提取该液深下的一阶固有频率，将自由液面设置为一阶振型，自由液面场函数设定为：
其中，，/>，/>，提取左舱壁处的液面时历曲线并对其进行傅里叶变换得到对应的频谱图；
S12：观察频谱图中明显的峰值，该峰值对应的频率即为液舱的一阶固有频率，采用相同方法处理装有DBA隔板结构的各个液舱，得到所有液舱的一阶固有频率；
S13：调节DBA隔板结构的转角，随着角度逐渐增大，即翼缘板逐渐抬升，液舱的一阶固有频率减小，当角度增大到某一角度时，液舱的一阶固有频率会发生频率突变，发生频率突变是由于翼缘板的转动引起的，因为舱内隔板的总高度较大时，整个液舱近似等价为顶部连通的两个小液舱。
进一步的，步骤S13中当DBA隔板结构的转角增大时，由于翼缘板的遮蔽效应，液舱固有频率会在角度为60°~75°之间时发生频率突变，且处在一个较高的频率范围之内。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构及其方法中，创造性地提出了一种新型可变动态DBA隔板结构，该新型DBA隔板结构随液深及外界激励可自动调整转角，从而实现不同载液率下隔板的最优制荡效果，针对其制荡结构的最优形式开展了一系列的数值研究。首先，开展网格无关性验证，确定了合适的网格尺寸；其次，通过数值与试验的比对，验证了晃荡模型的准确性；最后，提出了DBA新型隔板结构，通过液面高度、冲击压强、速度幅值和流动状态分析不同激励条件下液舱的晃荡程度，探寻出隔板制荡的最佳形式。解决了现有技术中出现的液舱制荡效果不佳的问题。
附图说明
图1为本发明抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的第一种状态图；
图2为本发明抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的第二种状态图；
图3为本发明实施例中无隔板液舱自由衰减时历曲线图；
图4为本发明实施例中自由衰减时历曲线对应的频谱图；
图5为本发明实施例中不同激励频率下无因次波高最大值表示图；
图6为本发明实施例中液舱波面时历曲线的频谱图；
图7为本发明实施例中具有相同投影面积的DBA隔板示意图；
图8为本发明实施例中不同DBA转角下舱壁压强的时历曲线图；
图9为本发明实施例中改变底部竖隔板的高度以及翼缘板的长度得到的新的四种隔板形式图；
图中：1、液舱； 2、第一翼缘板；3、铰接点；4、竖直板； 5、第二翼缘板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1-2所示，本发明所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构，包括隔板结构本体，隔板结构本体包括上下布置的翼缘板和竖直板4，翼缘板和竖直板4相连接且连接部位处设有铰接点3，翼缘板的转角随液深的变化通过铰接点3自动进行调节。
隔板结构本体设置在液舱1中，翼缘板包括第一翼缘板2和第二翼缘板5，第一翼缘板2和第二翼缘板5基于Y轴对称分布。
翼缘板转角随载液率变化时的可转动范围介于-90°~90°之间。
图1和图2为DBA隔板结构在不同液深的状态图，翼缘板转角可以随着液深的变化而不断调整，图1和图2显示的即为不同液深下DBA隔板结构的转动状态。
本装置对任意液深的液舱均有较好的制荡效果，当液舱的载液率较大时，翼缘与竖直板等长且转角为60°时制荡效果最优。
实施例2：
本发明所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，包括以下步骤：
S1：根据流体的运动受到守恒定律的控制，守恒定律包括质量守恒、动量守恒和能量守恒，这些守恒定律采用控制方程进行数学描述，形成流体控制的数值模型；
步骤S1中流体控制的数值模块具体包括如下步骤：首先，流体满足质量守恒定律，即流体单元在单位时间内的质量增加等于在同一时间间隔内流入单元的净质量，其数学表达式为：
其中，代表液体的密度，t代表时间，x i 和u i 分别表示i方向上的空间坐标和速度；
其次，流体满足动量守恒定律，流体单元中动量的变化率等于作用于这个单元上的各种外力的总和。动量守恒方程又称N-S方程，其表达式为：
其中，p为流体压强，为网格运动在i方向上的速度分量，µ为流体动力学黏性系数，/>为单位体积流体所受到的体积力，其余变量的物理含义与公式(1)中的完全相同；
采用标准k-ε模型，该模型由湍流能量k和湍流耗散率ε方程组成：
其中，是层流粘性系数，/>是湍流粘性系数，/>是由平均速度梯度引起的湍流能量k的生成项，计算公式如下：
模型常数项取值如下：
。
S2：采用控制方法对自由液面进行捕捉，引入一个流体体积函数，根据体积分数的值，判断液舱1中某一位置是否存在液体；
步骤S2中控制方法的基本思想是引入一个流体体积函数，其定义如下：
根据体积分数的值，判断网格单元中是否存在液体，评判标准如下：
将的等值面看作液舱内的自由液面。
S3：模拟液舱1内液体的晃荡，对液舱施加一个外界激励，如果外部激励频率接近液舱1的固有频率，就会发生共振现象，产生剧烈的晃荡；
为了有效模拟液舱内液体的晃荡，需要对液舱施加一个外界激励。如果外部激励频率接近液舱的固有频率，就会发生共振现象，产生剧烈的晃荡。因此，施加激励前有必要对液舱的固有频率进行计算，步骤S3中施加激励前对液舱的固有频率进行计算，对于液舱其计算公式如下：
式中，h为液体高度，L为液舱长度，和/>分别代表圆频率和波数，m代表晃荡模态的阶数；当m=1时，对应的是液舱的一阶固有频率。
此外，本文中液舱的激励可以表示为：
式中，A为振幅，为激励频率，t为时间。
S4：模拟分析不同外界激励条件下，不同转角和尺寸的DBA隔板结构对液舱的制荡效果，分析晃荡过程中DBA隔板结构对液舱1固有频率、波幅极值、舱壁压强的作用，得到DBA隔板结构最优的设计参数。
本实施例的具体应用为：
为了抑制液舱的晃荡，将横隔板与竖隔板进行组合形成T型隔板，此隔板兼有横隔板和竖隔板的优势且当制荡效果相同时用料更少，结构更轻。在此基础之上，本发明创造性地提出了一种新型的动态DBA隔板形式，并设计了一套方法进行其结构尺寸的优化设计，其在液舱中的布置如图1所示。本发明中的算例均采用STAR-CCM+软件进行计算，始终采用P1点作为压强测点，通过切割体网格生成器来提高生成网格的质量，选择棱柱层生成器对壁面处的网格进行细化处理，设定棱柱层的总厚度为内部网格的5%，棱柱层设定为6层，棱柱层的延伸率设为1.5。此外，STAR-CCM+采用全 y+壁面处理，该处理使用混合壁面函数，该函数可以描述三个边界层（粘性底层、缓冲层和对数层）中的速度和湍流，它可以根据输入流速和边界网格自动计算y+值，并自动切换壁面函数。为了更加接近真实环境，本文数值模型中的液舱壁均设置为不可滑移壁面，y+值小于5，并且满足无通量条件。舱内采用欧拉多相流模型，气相和液相分别设定为空气和水，舱内空气压力设定为标准大气压，液舱通过轨迹法实现运动。计算的时间步长设定为0.001s，时间步长中最大内部迭代次数设定为10。求解方式采用隐式不定常，计算模式采用二阶时间离散。
研究对象为立方体液舱，其边长L为1m，底部竖隔板和翼缘板的长度分别取为0.3L。定义翼缘板与水平线之间的夹角为θ，在底部竖隔板的高度与翼缘板的长度不变的情况下，随着翼缘板的转动，夹角也会随之不停的改变。θ的可转动范围介于-90°~+90°之间，当θ小于零时，翼缘板将会向下伸展，取-45°的情况进行分析；当θ等于零时，这便是传统的T 型隔板；当θ大于零时，翼缘将会向上伸展，取+15°、+30°、+45°、+60°、+75°和+90°（即竖隔板）的角度进行研究。
将液深分别设置为600mm(60%)、650mm(65%)、700mm(70%)、750mm(75%)和800mm(80%)，比较不同载液率情况下液舱发生共振时同一测点压强的最小值和最大值，最终发现载液率在70%时，舱壁处的压强峰值最大，液舱处于最危险的状态，以载液率为70%的方形液舱为研究对象，开展DBA隔板制荡形式的优化探索研究。
首先对无隔板液舱进行分析，通过数值方法模拟液面的自由衰减试验，在初始时刻给舱内液体设定一个初始液面，舱内液体在因重力引发的晃荡过程中会显示其固有谐振的特征，为了提取该液深下的一阶固有频率，将自由液面设置为一阶振型，自由液面场函数设定为：
其中，，/>，/>，如图3所示，提取左舱壁处的液面时历曲线，并对其进行傅里叶变换得到对应的频谱图，频谱图如图4所示。
观察图4频谱图中明显的峰值，该峰值对应的频率即为液舱的一阶固有频率，采用相同方法处理装有DBA隔板结构的各个液舱，得到的一阶固有频率大小为5.481rad/s，与理论解析解相同，因此该数值方法可有效获得液舱晃荡的固有频率。采用同样的方法处理装有DBA隔板的各个液舱，得到的一阶固有频率如下表1所示。随着角度逐渐增大，即翼缘隔板逐渐抬升，液舱的一阶固有频率会略微减小，但当角度增大到75°时，液舱的一阶固有频率会突
然增大，随后缓慢减小。这一频率突变是由于翼缘板的转动引起的，因为舱内隔板的总高度较大时，整个液舱近似等价为顶部连通的两个小液舱，依据公式(8)可知，长度较小的液舱固有频率应该较大。
表1 液舱一阶固有频率数值解
| 液舱隔 板 转 角 | 无 隔 板 | -45° | 0° | +15° | +30° | +45° | +60° | +75° | +90° |
| (rad/s) | 5.481 | 5.262 | 5.097 | 4.988 | 4.768 | 4.494 | 4.111 | 9.482 | 7.838 |
通过比对不同外界激励条件下左舱壁液面的波幅极值，分析DBA隔板角度对液舱制荡效果的影响。假设液舱受到水平方向的正弦激励，以=5.481rad/s为基准，选取一系列的外界激励频率，振幅均设为0.01m。监测左侧舱壁处的波面时历曲线，提取波幅极值并进行无因次化处理。
如图5所示，无隔板液舱、DBA隔板转角为-45°、0°、15°和30°的液舱在的频率范围之内出现明显的峰值，这是因为此时外界激励频率接近于四种隔板转角液舱的固有频率而诱发共振现象，微小的激励振幅也会使舱内液体最终发生剧烈的晃荡；当外界激励频率接近此五种液舱的高阶模态固有频率时，其诱导产生的最大晃荡幅值与其它隔板类型的液舱差距并不太大。此外，非常明显的是其余四种隔板转角的液舱在所有激励频率的作用下并未出现特别剧烈的晃荡。当DBA隔板转角为60°时，整个激励频率范围内响应的波幅极值均保持在较低的水平，即使该液舱发生了共振现象，其幅值相较于其它类型液舱来说也是较小的，因此，整体来看转角为60°的隔板抑制晃荡的效果最优。
晃荡是一种液体运动，运动就意味着能量的变化，因而可以从能量的角度来探究隔板对晃荡的影响。鉴于DBA隔板转角为60°的液舱的制荡效果最好，选取最接近其固有频率（即0.78）的激励工况进行分析，提取三种典型隔板液舱（-45°、60°、90°）以及无隔板液舱此时的液高时历曲线并对其进行傅里叶变换。
如图6所示，图6a：无隔板；图6b：θ=-45°；图6c：θ=60°；图6d：θ=90°；图6a中的能量谱呈现出明显的双峰现象，第一个峰值对应外界激励频率处，第二个峰值出现在液舱的一阶固有频率处，总体而言，能量主要集中在两个峰值的位置，且基本处于同一量级。图6b展示出与图6a相似的规律，但由于隔板的影响，此时能量开始逐步分散到两个谱峰频率之间的成份上，因而可知此时流场开始变得紊乱。图6c展示了转角为60°液舱的频谱图，由于激励频率接近液舱固有频率，此时未能出现双峰现象，二倍频率处的能量也非常少。虽然发生了共振现象，但是翼缘隔板有效地抑制了晃荡的程度，再次证明了DBA隔板转角为60°时的优越性。图6d说明如果外界激励频率远离液舱固有频率时，晃荡的能量将主要集中在外界激励频率附近，频谱双峰现象将会消失。
液舱晃荡除了会对船舶的稳定性造成影响外，强烈的冲击压力还可能损坏舱壁。因此，本部分对液舱晃荡过程中舱壁处的压强进行了比较。同时为了进一步论证DBA隔板转角为60°时最优，压强比较时对其它所有角度的隔板进行了尺寸调整，以确保具有相同的投影面积，如图7方框所示。图7a：θ=60°；图7b：θ=-45°；图7c：θ=0°；在左舱壁初始自由液面以下0.1m处设置压强监测点，外界激励频率设为4.251rad/s，接近60°隔板液舱的固有频率。
图8a展示了不同DBA隔板转角对液舱晃荡强度的影响。可以看出，0°隔板液舱压强的曲线较为规律，而-45°和60°隔板液舱的压强曲线均出现了双峰现象。隔板角度为正时的最大冲击压强远远小于其它两种形式液舱的压强，说明转角为正时隔板的制荡效果明显优于其它两种方案。在图8b中，重点分析了不同正向角度的隔板对舱壁处压强的影响，很显然，翼缘板转角小于60°时压强曲线依然保持双峰现象，超过60°时此现象逐渐消失，此外，60°隔板液舱的压强波动幅值始终最小，再次证明其为最优翼展角。
鉴于转角为60°的隔板抑制晃荡的效果最佳，以图7中的DBA隔板为基准,下面对其构件尺寸进行进一步的探索研究。如图9所示，保持垂向总高度和翼缘板角度不变，改变底部竖隔板的高度以及翼缘板的长度，可以得到新的四种隔板形式，分别为图9a、图9b、图9c和图9d中所示。
设置两种测试工况，激励振幅为0.01m，激励频率分别取为6.577rad/s（远离固有频率）和4.251rad/s（接近固有频率）。在这两种工况下比对调整后隔板液舱和基准隔板液舱的波幅和压强极值，结果如下表2和表3所示。工况一中只有第四种隔板（400mm）的性能优于基准隔板，但此时波幅和压强的极值较小，差距并不明显。工况二的波动幅度更大，此工况下进行对比更有实际工程意义，在隔板总高度和转角不变的情况下，基准隔板，即底隔板高300mm的制荡效果最优。
表 2 工况一（激励频率6.577rad/s）
| 底隔板高度(mm) | 波幅极值(m) | 变化幅值 | 压强极值(Pa) | 变化幅值 |
| 300 | 0.0134 | — | 1018 | — |
| 200 | 0.0212 | +58.2% | 1040 | +2.2% |
| 250 | 0.0153 | +14.2% | 1027 | +0.9% |
| 350 | 0.0147 | +9.7% | 1031 | +1.3% |
| 400 | 0.0118 | −11.9% | 1014 | −0.4% |
表 3 工况二（激励频率4.251rad/s）
| 底隔板高度(mm) | 波幅极值(m) | 变化幅值 | 压强极值(Pa) | 变化幅值 |
| 300 | 0.0569 | — | 1058 | — |
| 200 | 0.1122 | +97.2% | 1187 | +12.2% |
| 250 | 0.1046 | +83.8% | 1147 | +8.4% |
| 350 | 0.0905 | +59.1% | 1353 | +27.9% |
| 400 | 0.0668 | +17.4% | 1269 | +19.9% |
本发明在传统固定式T型隔板的基础之上，提出了一种新型的可转动DBA隔板结构。然后基于STAR-CCM+软件，模拟分析了不同外界激励条件下，几种典型转角和尺寸的DBA隔板对液舱的制荡效果，探讨其对晃荡过程中的液面升高极值、冲击压强大小、速度矢量幅值以及流动状态所产生的作用和影响，得到以下结论：
（1）当液舱内DBA隔板转角较小时，隔板不会明显改变液舱的固有频率；当DBA隔板转角较大时，由于翼缘隔板的遮蔽效应，液舱固有频率会在角度为60°~75°之间时发生突变，且处在一个较高的频率范围之内。
（2）液舱受到不同频率的水平外界激励时，DBA新型隔板能够有效地抑制舱内液体的晃荡，使得波幅极值大幅度降低，最佳制荡效果的DBA隔板结构形式为底部隔板与翼缘隔板等长且转角θ为60°。
（3）最危险载液率条件下，液舱发生受迫运动时，DBA隔板主要通过诱导生成的漩涡来有效地消耗掉液体晃荡时其激励频率附近的谐波能量，从而减小水质点的运动速度，达到抑制晃荡的目的。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构及其方法，提出了一种可随载液率变化而自动调节转角达到最佳制荡效果的动态DBA隔板结构。模拟分析了不同外界激励条件下，几种典型转角和尺寸的DBA隔板对液舱的制荡效果，探讨其对晃荡过程中的液面升高极值、冲击压强大小、速度矢量幅值以及流动状态所产生的作用和影响，解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，包括隔板结构本体，其特征在于：所述的隔板结构本体包括上下布置的翼缘板和竖直板（4），所述翼缘板和竖直板（4）相连接且连接部位处设有铰接点（3），所述翼缘板的转角随液深的变化通过铰接点（3）自动进行调节；所述隔板结构本体设置在液舱（1）中，所述翼缘板包括第一翼缘板（2）和第二翼缘板（5），所述第一翼缘板（2）和第二翼缘板（5）基于Y轴对称分布，所述的方法包括以下步骤：
S1：根据流体的运动受到守恒定律的控制，守恒定律包括质量守恒、动量守恒和能量守恒，这些守恒定律采用控制方程进行数学描述，形成流体控制的数值模型；
S2：采用控制方法对自由液面进行捕捉，引入一个流体体积函数，根据体积分数的值，判断液舱（1）中是否存在液体；
S3：模拟液舱（1）内液体的晃荡，对液舱施加一个外界激励，如果外部激励频率接近液舱（1）的固有频率，就会发生共振现象，产生剧烈的晃荡；
S4：模拟分析不同外界激励条件下，不同转角和尺寸的DBA隔板结构对液舱的制荡效果，分析晃荡过程中DBA隔板结构对液舱（1）固有频率、波幅极值、舱壁压强的作用，得到DBA隔板结构最优的设计参数；
所述的步骤S1中流体控制的数值模块具体包括如下步骤：首先，流体满足质量守恒定律，即流体单元在单位时间内的质量增加等于在同一时间间隔内流入单元的净质量，其数学表达式为：
其中，代表液体的密度，t代表时间，x i 和u i 分别表示i方向上的空间坐标和速度；
其次，流体满足动量守恒定律，流体单元中动量的变化率等于作用于这个单元上的各种外力的总和，动量守恒方程又称N-S方程，其表达式为：
其中，p为流体压强，为网格运动在i方向上的速度分量，/>为流体动力学黏性系数，/>为单位体积流体所受到的体积力，/>代表液体的密度，t代表时间，x i 和u i 分别表示i方向上的空间坐标和速度；
采用标准k-ε模型，该模型由湍流能量k和湍流耗散率ε方程组成：
其中，是液体的密度，k是湍流能量，/>是层流粘性系数，/>是湍流粘性系数，ε表示湍流耗散率，/>是由平均速度梯度引起的湍流能量k的生成项，计算公式如下：
其中，x i 和u i 分别表示i方向上的空间坐标和速度；x j 和u j 分别表示j方向上的空间坐
标和速度，模型常数项取值如下：
；
所述的步骤S4中分析晃荡过程中DBA隔板结构对液舱（1）固有频率的作用具体包括以下步骤：
S11：首先对无隔板液舱进行分析，通过数值方法模拟液面的自由衰减试验，在初始时刻给舱内液体设定一个初始液面，舱内液体在因重力引发的晃荡过程中会显示其固有谐振的特征，为了提取该液深下的一阶固有频率，将自由液面设置为一阶振型，自由液面场函数设定为：
其中，，/>，/>，提取左舱壁处的液面时历曲线并对其进行傅里叶变换得到对应的频谱图；
S12：观察频谱图中明显的峰值，该峰值对应的频率即为液舱的一阶固有频率，采用相同方法处理装有DBA隔板结构的各个液舱，得到所有的一阶固有频率；
S13：调节DBA隔板结构的转角，随着角度逐渐增大，即翼缘板逐渐抬升，液舱（1）的一阶固有频率减小，当角度增大到某一角度时，液舱（1）的一阶固有频率会发生频率突变，发生频率突变是由于翼缘板的转动引起的，整个液舱（1）等价为顶部连通的两个小液舱。
2.根据权利要求1所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，其特征在于：所述的翼缘板转角的可转动范围介于-90°~90°之间。
3.根据权利要求1所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，其特征在于：在最危险载液率工况下，翼缘板与竖直板（4）等长且转角为60°。
4.根据权利要求1所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，其特征在于：所述的步骤S2中控制方法的基本思想是引入一个流体体积函数，其定义如下：
根据体积分数的值，判断网格单元中是否存在液体，评判标准如下：
将的等值面看作液舱内的自由液面。
5.根据权利要求1所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，其特征在于：所述的步骤S3中施加激励前对液舱的固有频率进行计算，对于液舱其计算公式如下：
式中，h为液体高度，L为液舱长度，和/>分别代表圆频率和波数，m代表晃荡模态的阶数；当m=1时，对应的是液舱的一阶固有频率。
6.根据权利要求1所述的抑制LNG储罐液体晃荡的动态DBA隔板结构的设计优化方法，其特征在于：所述的步骤S13中当DBA隔板结构的转角增大时，由于翼缘板的遮蔽效应，液舱固有频率在DBA隔板结构的转角为60°~75°之间时发生频率突变。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310412107.6A CN116424482B (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 抑制lng储罐液体晃荡的动态dba隔板结构及其方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310412107.6A CN116424482B (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 抑制lng储罐液体晃荡的动态dba隔板结构及其方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116424482A CN116424482A (zh) | 2023-07-14 |
| CN116424482B true CN116424482B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=87081187
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310412107.6A Active CN116424482B (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 抑制lng储罐液体晃荡的动态dba隔板结构及其方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116424482B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09142575A (ja) * | 1995-11-22 | 1997-06-03 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 浮屋根式貯蔵タンク |
| CN103895986A (zh) * | 2013-08-22 | 2014-07-02 | 哈尔滨工业大学 | 带有可转动十字型叶片的液体防晃贮箱及防晃方法 |
| CN109080776A (zh) * | 2018-09-13 | 2018-12-25 | 海南大学 | 一种液舱中液体晃荡的制荡装置及液舱 |
| KR20190071894A (ko) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 주식회사 피앤떠블유 | 저수 장치 |
| CN110615070A (zh) * | 2019-10-22 | 2019-12-27 | 浙江大学宁波理工学院 | 一种矩形液舱晃荡阻尼装置及矩形液舱水动力计算方法 |
| CN111695282A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-22 | 河海大学 | 一种基于流固耦合模拟的液舱晃荡预测和控制分析方法 |
| KR20210001214A (ko) * | 2019-06-27 | 2021-01-06 | 삼성중공업 주식회사 | 화물창 내 액체화물의 슬로싱 저감 장치 |
-
2023
- 2023-04-18 CN CN202310412107.6A patent/CN116424482B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09142575A (ja) * | 1995-11-22 | 1997-06-03 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 浮屋根式貯蔵タンク |
| CN103895986A (zh) * | 2013-08-22 | 2014-07-02 | 哈尔滨工业大学 | 带有可转动十字型叶片的液体防晃贮箱及防晃方法 |
| KR20190071894A (ko) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 주식회사 피앤떠블유 | 저수 장치 |
| CN109080776A (zh) * | 2018-09-13 | 2018-12-25 | 海南大学 | 一种液舱中液体晃荡的制荡装置及液舱 |
| KR20210001214A (ko) * | 2019-06-27 | 2021-01-06 | 삼성중공업 주식회사 | 화물창 내 액체화물의 슬로싱 저감 장치 |
| CN110615070A (zh) * | 2019-10-22 | 2019-12-27 | 浙江大学宁波理工学院 | 一种矩形液舱晃荡阻尼装置及矩形液舱水动力计算方法 |
| CN111695282A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-22 | 河海大学 | 一种基于流固耦合模拟的液舱晃荡预测和控制分析方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116424482A (zh) | 2023-07-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Biswal et al. | Non‐linear sloshing in partially liquid filled containers with baffles | |
| Wu et al. | Numerical study of sloshing liquid in tanks with baffles by time-independent finite difference and fictitious cell method | |
| Wu et al. | Hydrodynamic forces induced by transient sloshing in a 3D rectangular tank due to oblique horizontal excitation | |
| Qin et al. | Numerical study on structural response of anti-sloshing baffles of different configurations in a sloshing tank considering hydroelasticity | |
| Tang et al. | Numerical study of liquid sloshing in 3D LNG tanks with unequal baffle height allocation schemes | |
| Jena et al. | A numerical study of violent sloshing problems with modified MPS method | |
| Kumar et al. | Dynamics of rectangular tank with perforated vertical baffle | |
| CN116424482B (zh) | 抑制lng储罐液体晃荡的动态dba隔板结构及其方法 | |
| Wang et al. | Numerical simulation of sloshing flow in a 2D rectangular tank with porous baffles | |
| Hoch et al. | Numerical and experimental investigation of sloshing under large amplitude roll excitation | |
| Gao et al. | Numerical investigations on harbor oscillations induced by falling objects | |
| Wu et al. | Time-independent finite difference and ghost cell method to study sloshing liquid in 2D and 3D tanks with internal structures | |
| Trimulyono et al. | Numerical Simulation Low Filling Ratio of Sway Sloshing in the Prismatic Tank Using Smoothed Particle Hydrodynamics | |
| Gavrilyuk et al. | Two-dimensional variational vibroequilibria and Faraday’s drops | |
| Wu et al. | Dynamics of vortex evolution in a 2D baffled tank | |
| Guo et al. | Numerical study of flow fluctuation attenuation performance of a surge tank | |
| Rafiee et al. | Numerical study of density ratio effects and compressibility of gas phase in sloshing | |
| Cao et al. | A semi-analytical solution of liquid response in a two-dimensional rectangular tank with a vertical rigid baffle under pitching excitation | |
| Bouabidi et al. | Computational investigation of the external excitation frequency effect on liquid sloshing phenomenon | |
| Bouabidi et al. | Study of hydrostatic pump created under liquid sloshing in a rectangular tank subjected to external excitation | |
| Dou et al. | Study on suppression of violent sloshing in a multiple tuned liquid column damper by porous media layers | |
| Al-Zughaibi et al. | A dynamic meshing technique for analysis of nonlinear sloshing in liquid tanks | |
| Cong et al. | Second-order wave drift loads on floating structures with thin perforated shells | |
| CN106777662A (zh) | 基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法 | |
| Tang et al. | Effect of the pore parameters of the perforated baffle on the control of liquid sloshing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |