李潤澤，陶延武，靖金澎，陳 凱

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

當液艙部分裝載時會在外界激勵下引起液艙晃蕩，嚴重時會影響船舶的航運和作業(yè)安全，文獻[1]中記載了因液艙晃蕩損壞船體的案例，因此研究加注下的液艙晃蕩這一復雜耦合問題具有重要意義。針對該問題可以通過數(shù)值模擬進行定性或定量研究，同時結合試驗進行實際研究。

目前有關加注的研究主要有：張乾等分析了加注速度和液艙內(nèi)油氣蒸發(fā)速率之間的關系；袁世杰等探究了強迫晃蕩過程中加注速度與加注管背壓及油品運動的關系；陳欣欣對不同參數(shù)(加注速度和加注角度)下的淹沒射流進行了研究。在液艙晃蕩研究方面：陳曉東等通過模型試驗探討了液艙模型與載液率、激勵幅值和運動周期3個因素的關系；邵珠峰通過試驗與數(shù)值模擬研究了不同工況(波浪頻率、浪向角和載液率)對液艙運動的影響；ACANFORA等在客輪船體上進行了實船試驗研究，研究了甲板、發(fā)動機等機艙障礙物對破損船舶進水后船舶橫搖響應的影響；KAWAHASHI等討論了FLNG運動與內(nèi)部液體在不同載液率狀態(tài)下晃蕩的耦合影響。

本文首先根據(jù)文獻[2-4]了解到加注中的液艙晃蕩這一復雜耦合運動主要受加注速度的影響，并據(jù)此設計出試驗中關于加注的部分；其次根據(jù)文獻[5-8]將液艙載液率作為影響液艙晃蕩與運動的因素，并參考文獻[6]中的試驗模型運動裝置進一步完善試驗方案；最后根據(jù)試驗方案對持續(xù)加注、液艙晃蕩與液艙運動相耦合的復雜運動進行分析研究，并將試驗結果與數(shù)值模擬進行對比，驗證數(shù)值方法的準確性。

1 模型試驗系統(tǒng)

本試驗中的模型是由內(nèi)外艙組合而成，通過螺絲連接，便于安裝和拆卸，質(zhì)量為29.45 kg，其重心高度距離模型底部為0.135 m。具體尺寸見圖1。

圖1 液艙模型示意圖(單位：mm)

試驗總布置圖見圖2。液艙在加注時需要保持流速恒定，選取大流量蠕動泵進行加注，每分鐘流量最大32 L，流量精度最高可以達到1%以內(nèi)，總計共4個通道。蠕動泵在輸送液體時電機的擠壓會使流出的液體產(chǎn)生脈沖，因此首先通過均流器將4條支路匯合，然后使用脈沖阻尼器抑制脈沖。在管路終點需要透明加注管來觀察管內(nèi)是否存有氣泡，其內(nèi)徑20 mm、外徑24 mm。另外，為了保證管內(nèi)流體充分流動，管的長度選取60倍直徑，令直管出口中心點與液艙底部的垂直高度為20 mm。本試驗中使用了2個水池，其中：一個尺寸為5 m×3 m×1 m用于靜水試驗的大型試驗水池，蓄水深度為0.6 m；另一個為1 m×1 m×1 m為蠕動泵提供水源。

D—加注管內(nèi)徑；h—艙內(nèi)液面高度。

液艙模型側視詳解圖見圖3。在測量模型的艙壁壓力和橫搖角度時需要用到壓力傳感器和角度傳感器。前者的量程為5 kPa，輸出電壓為0～5 V，動態(tài)頻率為2 kHz，精度為±0.5%，分別在艙壁兩側距離液艙底部1 cm處；后者的量程為±30°,實時運動信號采用雙軸組合慣性測量單元進行采集記錄，角度傳感器水平固定安裝于模型底部轉動中心正下方。具體試驗工況見表1。

表1 試驗工況設置

d—液艙入水深度；b—液艙內(nèi)部寬度；B—液艙外部寬度；G—重心；H—重心距艙底高度；θ—初始傾斜角；P1、P2—壓力監(jiān)測點。

2 數(shù)值模擬方法和液艙模型

本文的數(shù)值模擬計算是基于CFD軟件STAR-CCM中的不可壓縮流體模型，利用重疊網(wǎng)格技術構建模型并結合船舶運動理論預測模型的運動，選取SST-湍流模型，運用有限體積法對流場域進行離散，結合SIMPLE算法求解計算域中的物理場。數(shù)值水池與試驗水池大小保持一致，其中四周與底面為壁面條件，頂面為壓力出口，加注口為速度入口，三維水池見圖4。

圖4 三維水池示意圖

劃分網(wǎng)格時通過切割體網(wǎng)格對計算域進行劃分，對加注口處和液面運動區(qū)域進行加密，具體加密情況見圖5。

圖5 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

3 結果討論和分析

3.1 不同載液率下加注對液艙橫搖衰減的影響

首先引入對數(shù)衰減率來描述液艙衰減的快慢。相鄰兩次振幅之比的自然對數(shù)叫做對數(shù)衰減率，其越大說明液艙衰減越快，通過多個周期的對數(shù)衰減率計算可提高數(shù)據(jù)精度，計算公式為：

(1)

式中：為衰減波形上同一方向的振幅；為相鄰振幅的數(shù)量。

衰減波形示意圖見圖6。

u1～u5—振幅；t1～t5—時間。

30%和50%載液率下液艙的橫搖角度時歷曲線見圖7。為更清晰地分析不同載液率下加注速度對液艙橫搖衰減速度和橫搖頻率的影響，將圖7中的數(shù)據(jù)轉化為加注速度和橫搖頻率及對數(shù)衰減率的關系，見圖8。

圖7 不同載液率10°初始橫傾角狀態(tài)下的液艙橫搖

圖8 不同載液率加注速度與橫搖頻率和對數(shù)衰減率的關系

由圖8可知，30%載液率狀態(tài)下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時，液艙橫搖頻率為0.528、0.531、0.533、0.532 Hz；50%載液率狀態(tài)下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時，液艙橫搖頻率為0.526、0.525、0.517、0.506 Hz。載液率較高時，液艙橫搖頻率較小，并且載液率越高，加注速度的變化對液艙橫搖頻率的影響越大，加注速度越大液艙橫搖頻率越小。30%載液率下的加注速度對液艙橫搖頻率影響較小。

30%載液率工況下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時，對數(shù)衰減率為0.146、0.170、0.158和0.172；50%載液率狀態(tài)下加注速度分別為0、0.69、1.15、1.61 m/s時，對數(shù)衰減率為0.172、0.176、0.183和0.179。排除基線取值可能導致的誤差，液艙載液率越高其自由衰減越快，并且加注會加快橫搖衰減的速度。

不同載液率10°初始橫搖角狀態(tài)下的壓力變化見圖9。圖9中壓力曲線是由點所得，較為平滑，這表明液面無劇烈波動，壓力隨艙內(nèi)液體增加呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的周期性變化。這說明當艙內(nèi)液體無劇烈波動時，加注對艙壁壓力無明顯影響。

圖9 不同載液率10°初始橫搖角狀態(tài)下的壓力變化

3.2 數(shù)值模擬與試驗結果對比

液位較高時，加注對液艙橫搖衰減的影響較大。為了更清晰地分析加注對液艙運動的影響，對50%載液率工況下的液艙加注進行數(shù)值模擬，并與試驗數(shù)據(jù)對比。圖10和圖11為相應的橫搖和壓力時歷曲線。

圖10 不同加注速度工況下的液艙橫搖時歷圖

圖11 不同加注速度工況下的艙壁壓力時歷圖

根據(jù)圖10和圖11得到的數(shù)值模擬與試驗之間的數(shù)據(jù)對比見表2。

通過與試驗對比驗證了數(shù)值模擬的準確性。表2中有個別數(shù)據(jù)相差較大，這主要是由于橫搖角度的所測范圍較小，角度傳感器易受模型震動影響。另外，試驗中加注與模型釋放需要同步進行，在操作時會出現(xiàn)時差。

表2 數(shù)值模擬與試驗結果對比

4 結論

(1)液艙載液率越高，其橫搖頻率越低；低載液率工況下，加注對液艙橫搖頻率影響較?。桓咻d液率工況下，加注速度越大，液艙的橫搖頻率越低。

(2)液艙載液率越高，其在靜水中橫搖衰減的速度越慢；加注會使液艙橫搖衰減速度加快，加注速度變化對低載液率的液艙橫搖衰減影響波動更大。

(3)液艙做自由衰減運動時，當艙內(nèi)液面無劇烈波動，加注對艙壁壓力無明顯影響，艙壁壓力主要和艙內(nèi)液體的動壓強有關。