部分装载液体舱中的晃动液体 在不同维度下对船舶稳定性的影响外文翻译资料

 2022-07-28 14:16:11

The Impact of Sloshing Liquids on Ship Stability for

Various Dimensions of Partly Filled Tanks

部分装载液体舱中的晃动液体

在不同维度下对船舶稳定性的影响

摘要：发生在部分装载的液体舱内的液体摇晃现象直接影响船舶的稳定性。然而现在只在船上进行静力计算，以及在常规稳性计算中也只考虑液体重量的静态变化。本文重点在于由于船舶液舱中的液体晃动而产生的动态纵倾力矩。对移动液舱中的液体晃动进行一系列数值模拟，考虑不同类型的液体舱，并进行CFD模拟试验来验证。最后，进行液体晃动对船舶横向稳定性的影响。重点是动态纵倾力矩与静态纵倾力矩之间的关系对船舶动态稳定性的系数表达，这是与天气相关的标准船舶稳定性评估。

1 前言

海上运输的主要特性讨论通常是它的安全性和有效性。其中从运营的角度来看，船舶安全问题是至关重要的，可以看作是一种最有前景的科技事件。关乎于海船安全最重要的特性之一就是横稳性。

船舶稳性是用来描述船舶从平衡位置倾斜后有能回到平衡状态的趋势的术语。因为船舶的初始位置不会总是正浮状态，更实用的定义如下：稳性是当船舶保持在一个确定的位置时能执行其所指派的任务。补充定义目的是支出船舶稳性是使船舶操作安全合格的基本因素。

船舶稳性取决于两个重要因素——船体形状和重量分布。第一个因素在短而适当的时间内是常数，在船舶复原期间变化很小。然而，在每个港口，重量分布随货物运输，仓储以及与之相关的压载变化而变化。

重量分布的特殊类型变化是发生在部分装载的液体舱内的液体晃动。在船上要尽量避免重量移动，即使不可能完全规避。货物固定装置确保船上货物的松动减少，但是液舱内的自由表面是不可避免的。船舶上可能会部分装载的重要液体舱室是压载水舱。由于必需压载水管理的需要，现在评估液体晃动的影响的问题比以往更为重要。保持压载水干净并且对海洋环境安全，最普遍的办法是在船舶航行过程中时时更换压载水。但这项操作对船舶来说是危险的，例子就是倾覆的M/V美洲狮王号。它在压载水交换操作期间失去了稳定性大幅倾斜，严重膨胀，导致货物转移，最终向左舷倾覆。

如今远洋船舶稳性计算与评估是根据船级社发表的规范稳性标准。这些标准主要根据A749(18)国际海事组织的决议制定。这些决议和它们后来的修正案被称为完整稳定性代码（ISC2009）。

船舶稳性标准符合稳性力臂曲线的形状。另外，天气标准确保船舶具有足够稳性承受横摇时的严重风力。即使天气标准只使用静态稳性曲线反映了一个非常简单的动态的船舶行为。不管怎样，天气标准是唯一的，部分是基于倾斜现象的模型不仅在统计数据上，而其余的标准是基于历史灾害的统计数据。今后现代化以及仍然发展着的船舶稳性试验方法是基于性能的稳性标准的实施。它们主要根据危险评估，然而，这还远未使用在船舶上。

即使是船舶稳性评估的方法，也应该考虑发生在船上的物理现象的背景。在现代的稳性标准中，需要获得和比较复原和纵倾力臂。复原力臂积累和消耗的能量同船舶上的外力所提供的能量相比，这个叫做动态稳性计算的能量平衡方法。复原力臂（复原力矩）和纵倾力臂（纵倾力矩）的平衡应该包括所有重要部件的每个力矩，其中也包括部分装载的移动液舱中液体晃动的纵倾力矩。

根据船舶稳定性相关的概念,船舶横向稳定性评估的准确性在船舶操纵过程是一个重要的问题。这两种对船舶稳定性评估的已知方法现在要求纵倾力矩的特点由于液体舱内的液体晃动。这需要证明基于液体晃动现象的研究过程是合理的。

2 自由液面影响和液体摇晃现象

船舶完整稳性评估通常是根据IMO的IS-Code在船上进行的。因此，标准稳性测量，如稳心高度、稳性力臂曲线等通常会用到。根据IMO推荐规范，稳性力臂曲线由液舱内自由液面的影响来修正。修正应该做到如下两点之一：

——根据流体不同纵倾角的变化计算的实际力矩修正；

——根据液体舱的水平投影面积的惯性矩修正（简单摇荡模型）。

以上两种自由液面修正计算都考虑了摇晃液体的准静态势能。因此他们没有考虑液体舱在船体的位置和旋转轴的位置。然而，目前应用强制修正的主要优势是他们计算的简单性。

不考虑IMO推荐的明确计算自由液面修正公式，液体表面假定水平，只取决于船舶纵倾角度而不是时间。如下图所示。

图1 由于船舶纵倾液体质量的准稳性变化

液体摇晃现象发生在部分装载的船舶液舱内。随着液舱运动，其提供能量引起和维持流体运动。外部大的振幅较大或附近的一个激励下晃动的固有频率,舱内液体剧烈振荡，这对安全运输流体具有十分重要的现实意义。流体的运动及其影响都叫做摇荡。液体舱的结构和舱内液体的摇荡之间的相互作用在于不断传递能量。在试验研究中液体摇荡现象发生在模型边舱中，如图2所示。

图2 部分装载液体舱内自由液面的形状模型（自主研究）—

明显可以看到自由表面与假设的准静态表面远远不同（与图1 相比）

由液体摇荡产生的纵倾力矩的特征取决于一系列参数，如液体舱的几何机构，舱内液面高度，液体舱在船体的位置，横摇周期等等。

研究过程中进行的预实验对船舶液体舱的标准形状和尺度进行了分类。最经常设计的船型如图3,4,5所示。双底边舱 属于远洋海船的标准布置，而边舱和顶边舱只在同类型船中是典型的。

图3 标准边舱和宽双底边舱

图4 分隔式边舱和大型船舶典型双底边舱

图5 顶边舱，舭部边舱和散货船的双底边舱

作者早些时候的研究表明，液体摇荡动力学在狭窄的边舱中可以忽略。液体摇荡的固有周期很短，足以证明自由表面影响的准静态计算。这种方法众所周知，通常应用于稳性评估过程（ISC2009）。事实上部分装载的液舱内的液体在横摇周期内总保持水平，如图6所示。其他的液舱，例如双底边舱和顶边舱需要检查可能的液体摇荡特征。

图6 部分装载的高液体边舱内液体摇荡的表面

3 研究过程中应用的船舶和液体舱几何特征

远洋船舶的液舱可以根据它们的目的来分类如下：

  • 尖舱（首尖舱和尾尖舱）根据精确调整纵倾的需要经常被用作部分装载，所以压载水平面要根据不同需要做出调整，因此产生自由液面。
  • 稳性舱室根据减小重心垂向高度来提高船舶稳性（通常双底边舱位于机舱和艏尖舱之间形成一个组合）；通常这些舱室的宽度是船宽的一半，或者有时甚至等于整个船宽（在船首部分）因此这些舱室中液体的自由液面会非常大以至于在航行中它们通常都是空载或满载状态；
  • 列表控制舱室（边舱）通常位于船中部，根据它们的功能经常处于部分装载状态并有自由液面；
  • 强度控制舱室用于调整纵向重量分布（首尾尖舱，双底边舱，边舱，有时甚至包括压载用的货舱）这些舱室通常部分装载以减少多余剪力和弯曲力矩，它们通常会产生自由液面；
  • 特殊用途舱室例如减摇水舱（水槽），通常只装载50%液体，产生自由液面。

即使以上提及的大部分舱室在船舶航行过程中通常是满载或空载，但也有相当长时间内它们处于部分装载状态。最明显的是更换压载水以满足压载水管理结构的需要并且保护自然环境。在此操作期间船舶需要维持足够稳性。

不管船上压载水舱的确切用途，它们的总体积和产生压载水的总重量十分重要，如图7所示。这证明在分析研究过程中应着重于这些舱室群。

图7 压载水的重量与空船重量分配的关系

图7中的图表反映了除了散货船外的大多数船型船上装压载水的总重量会达到甚至超过空船重量。另外，散货船压载水重量往往是空船重量的两倍。显然不是所有液舱都是同时部分装载，但是它们中的一些往往需要计算包括液舱内液体运动的稳性计算。

用一艘典型巴拿马型船进行研究。假设在研究自由液面影响的准静态方法中，部分装载的液舱位置没有影响。相反，动态方法与船舶横摇有关，而且所研究的液舱位置十分关键。因此船模尺度和横摇轴都需要明确规定。研究中的详细应用如表1所示。

表1 所研究船型主尺度

船型资料

型宽 32,00

型深 20,00

横轴高度 9,00

图8 船体内液体舱布置

所分析的液舱样本位置如图8所示，液舱高度和宽度分别为b和h。

为了分析液舱模型，舱室宽度b变化为5到10m，高度变化为1.5到4m。在所有情况中液舱装载量为50%。

4 在船舶液舱内由液体摇荡而产生的纵倾力矩的计算

由部分装载液舱内液体摇荡而产生的纵倾力矩用CFD技术来计算，应用FlowVision软件。用3D模式模拟最典型的矩形压载水舱中的液体摇荡运动。横摇周期根据研究假设和角运动的范围变化，反映风雪天气下极为恶劣的海上条件。横摇周期取决于所选船型的稳性，因此在现代的研究中考虑横摇周期的大范围变化。

应用在模拟过程中的计算网格是六边形，与两个耦合的参考系有关，静止的和运动的模拟计算网格如图9所示。辅助网格几何分辨率(SGGR)应用三角表面自然减少笛卡尔单元,重建自由表面（FlowVision2010）。

图9 计算网格和两个耦合参考系统

SGGR方法意在用六边形网格估算曲线边界的近似值。该方法包括分析在自然边界分裂单元边界如图10所示。

图10 曲线边界的辅助分辨率（FlowVision2010）

获得子单元的数量取决于几何特性。子单元是任意多面体。给定的数学模型方程是在多面体上的未简化近似值。该方法确保在复数域适当粗网格的准确计算（FlowVision2010）

FlowVision代码是基于有限体积法（FVM），使用自由液面问题的流体体积法（VOF），如图11所示（FlowVision2010）。

图11 VOF(流体体积)变量是单元内流体1的体积分数;VOF=1 单元内只包含流体1；VOF=0 单元内只包含流体2；0lt;VOFlt;1 单元内包含流体1和流体2（FlowVision2010）

计算的高精度是通过求解在ʹ自由表面ʹ单元的控制方程来达到（单元中部分装载流体）（FlowVision2010）。应用RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程，湍流流动的模拟实现基于涡流粘度的概念。应用半经验公式k‐ε模型湍流模型。

图12 运动中的液舱内自由表面的计算图形（实例）

模拟的结果主要包括一般的流型以及速度和压力区域。自由表面的实例形状如图12所示。

另外，用户定义的参数计算，即纵倾力矩由于部分填充槽内的液体晃动，从研究的角度来看是至关重要的。纵倾力矩M向量按照以下公式计算：

其中：

S—液舱的淹湿表面；

r—舱壁上指定点的位置向量；

n—法向量；

p—舱壁上的局部压力。

由于液舱内所考虑流动的现行的两维特性,纵倾力矩是一个垂直于液舱运动平面的方向向量。因为假设考虑船舶横稳性，纵倾力矩可以用一个立体的元素表示如下：

其中：

M x, M y, M z—M向量的三维元素，由随船参考系中的x，y和z轴决定。

为进一步使用唯一的非零元素M x计算由液体摇荡产生的纵倾力矩，公式（2）所描述的即为全部动态力矩，用表示。这个纵倾力矩是处理和推论的主要对象。

5 数值模拟的试验验证

即使基于CFD数值模拟部分装载液舱内的液体摇荡是一项强大的技术，但是有些情况下仍然需要试验验证。一般来说，试验常用作修正数值计算的准确证据。因此，针对液体摇荡现象的试验研究在格丁尼亚海事大学的船舶运营部进行。

试验装置的主要部分是配备了压力传感器的液体舱。液舱由液压驱动机构强迫作振荡运动，因此激励里面的液体摇荡。液舱模型的主尺度为：宽1.040m，长0.380m，深0.505m。试验装置的主要外观如图13所示。

图13 试验装置—总布置

实验装置能够测量液舱舱壁和顶角的动态压力分布。另外，它能记录液舱倾斜任何角度时自由液面的形状。

图14 自由液面形状对比：试验（下面的照片）和数值模拟（上面的图表）

尽管液舱内液体摇荡的自由液面形状的动态压力分布记录了大量的试验，流体分布和速度场主要由液体质量惯性和压力场控制。因此，液体自由表面的正确建模成为修正基于CFD的摇荡液体数值模拟的强大工具。自由表面的模型实例比较在试验和模拟计算过程中记录于液舱模型，如图14所示。

在试验过程中获得的液舱中控制点的压力历史记录与计算的压力记录相比较，然后确认液体自由表面的形状。实验结果的压力和自由表面满足相关结果通过

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