三维菱形液舱剧烈晃荡和共振频率数值研究

辛建建, 方 田, 石伏龙

(1. 宁波大学 海运学院， 浙江 宁波 315211； 2. 中国船舶科学研究中心， 江苏 无锡 214082；3. 武汉理工大学 交通学院， 武汉 430063)

风浪中航行的储液船舶，如液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)船，在受到外部激励时，液体会对容器壁产生强烈的砰击作用，造成结构的变形甚至破坏，对船舶稳性和结构强度造成严重威胁.液体发生晃荡时会伴随产生波面破碎、波对舱壁的高速砰击、液滴形成及气泡卷入等强非线性现象.而且，晃荡引起的砰击载荷会对舱壁产生强烈的局部冲击，影响船舶的稳定性，甚至破坏液舱的围栏系统，导致沉船事故.因此，研究晃荡现象和预报晃荡砰击载荷对液舱结构设计和船舶的安全运营至关重要.

在过去，模型实验[1]和解析半解析方法[2]是船舶液舱晃荡研究的常用手段.然而，模型实验费用昂贵、条件苛刻(如低温)，解析方法局限于简单几何形状液舱中的晃荡问题. 随着计算机技术的飞速发展，数值方法处理晃荡问题显示出较大的优越性，可以克服解析方法无法解决的困难，诸如液面大变形、摇荡运动影响等.与费用昂贵、时间较长的模型实验相比，数值模拟方法的成本低廉、灵活方便.从自由表面跟踪技术分，有流体体积分数(VOF)法[3]、水平集(Level Set)法[4]和光滑粒子流体动力学(SPH)法[5]等.根据计算网格可分为贴体网格法[6]、直角网格法[7]和无网格法[5].

在绝大多数的晃荡流模拟中，对象为矩形液舱，边界条件能直接施加，因为计算网格与液舱边界……