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江苏科技大学
硕士学位论文
基于SPH法的二维液舱晃荡数值模拟
姓名:陈正云
申请学位级别:硕士
专业:船舶与海洋结构物设计制造
指导教师:朱仁庆
20080201
摘要
基于 SPH 法的二维液舱晃荡数值模拟
摘要
液舱晃荡是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。近年
来,载液船舶液舱中的液体晃荡现象已引起人们的深刻关注,液体晃荡载荷与效应也
已成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一。
随着海上液化天然气运输需求的不断增加,LNG 船液舱的晃荡问题变得更加重
要,成为一个重要的研究课题。LNG 船的晃荡诱发的冲击压力作用于容器系统,严重
情况下可造成舱壁结构的破坏,当液舱与船体运动发生耦合,将使船体运动加剧甚至
倾覆。同时,液舱晃荡是一个带自由表面的强非线性力学问题,采用常规的势流理论
很难进行准确的计算和预报。本文探索性的采用 SPH 法来进行液舱晃荡的数值模拟,
对晃荡过程中的现象与机理加以研究,具有一定的工程实用价值,在学术上也有重要
意义。
主要完成了以下工作:
1)作为一种探索性研究,采用经典的边界排斥力法对晃荡过程中的自由面形状及
流动矢量图作了算例验证;
2)运用密度重新初始化方法对 SPH 法进行了修正,使得整个计算域内的压力分
布更加规律;
3)改进波高观测程序,以使计算得到的波高时间历程更为准确,并用多层边界粒
子法解决了 SPH 法中的压力观测这一难点;
4)用编写的压力观测程序,对二维矩形液舱的舱壁压力进行了系列计算,并分析
了晃荡现象的机理。
通过上述工作,得到了下面一些结论:
1)SPH 法作为一种无网格方法,是自动捕捉自由液面的,故其在计算带自由液
面的问题上具有其它方法没有的优势;
2)用 SPH 法处理二维液舱的晃荡问题是可实现的;
3)通过经典的边界排斥力法对液舱模型进行计算与分析,发现计算所得到的自由
面形状波高时间历程与实验结果比较吻合,反映了方法的可靠性;
4)本文通过对程序的深入研究和改进,发现所采用的处理 SPH 法中实现压力观
测的方法是可行的;
5)低液深时,在非谐振频率的激励下得到的液体晃荡强度,远小于谐振频率时的
I
摘要
液体晃荡强度;而高液深时,在非谐振频率的激励下得到的液体晃荡强度,也
小于谐振频率时的液体晃荡强度,但是差异不如低液深的那么明显。

关键词:液舱晃荡;自由液面;SPH 法;无网格;数值模拟

II
Abstract
Numerical Simulation of 2D Sloshing in Liquid Tanks
Based on SPH Method
Abstract
As mon phenomenon in liquid motions, sloshing usually happens in a partially
filled liquid tank in movement. Recently, Liquid sloshing phenomenon in liquid tanks
mounted on ships has attracted people’s much attention and the sloshing loads and effects
have e one of the important aspects of the safety evaluation of a sailing liquid cargo
ship.
With the increasing demand of offshore liquefied natural gas transportation, sloshing of
LNG carrier in liquid tanks has e an important research subject. LNG sloshing
induces impact pressures on the containment system can destroy wall structures, and when
coupling with ship motions it can cause violent motions and even capsizing under extreme
conditions. At the same time, sloshing of liquid tank is a strong nonlinear mechani