基于VOF法的液舱晃荡数值模拟及载荷计算

刘桢兵

(斯特拉斯克莱德大学，格拉斯哥G40LZ)

舶液舱晃荡作为一种常见的流体运动现象，通常发生在部分充满液体的液舱中［1］。当液舱与船体运动发生耦合时，将使船体运动加剧甚至倾覆，同时液体晃荡是非常复杂的流体运动现象，呈现出强的非线性和随机性。

1 VOF法

流体体积法最早出现在DeBar(1974)的文章中，Hirt＆Nichols［2］形成了它完整的理论体系和实现方法，现在的VOF方法都是在Hirt＆Nichols的基础上发展起来的。VOF法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数来确定自由面，追踪流体的变化，而非追踪自由液面上质点的运动。VOF法使得流体的质量得到守恒，并可跟踪自由面上发生翻转、吞并、飞溅等复杂的自由面现象。VOF法简单而有效，得到了广泛使用，在实际工程中得到了令人满意的计算结果。

2 建模及网格类型

本文所有的建模和网格划分都是在Gambit软件上完成的。Gambit可以生成结构化网格和非结构化网格，虽然非结构化网格对复杂几何形状的物理模型更有吸引力，但由于其在处理边界层还存在着不足，而且在同等精度下非结构网格的网格数是结构化网格的好几倍。由于使用全非结构化网格来处理时对计算硬件计算能力要求较高，本文的计算模型采用结构化网格。另外网格数量与时间步长的选择对数值计算是有影响的。网格数量太多时要求时间步长很小，这样会大大增加计算花费的时间;网格数量太少时计算花费的时间缩短许多，但是求解所得的结果不够精确。……