易流態(tài)貨物艙內(nèi)晃蕩對艙段運動及穩(wěn)性影響的數(shù)值研究.pdf

1、易流態(tài)貨物是指由一定比例細(xì)微顆粒和水分組成的一類散裝顆粒狀貨物。該類貨物海上運輸過程中，若其含水量超過一定比例并在機械振動、撞擊或船舶運動等外力影響下可能發(fā)生流態(tài)化從而形成類似流體一樣的狀態(tài)。該類貨物的易流態(tài)屬性已成為該類貨物運輸船發(fā)生傾覆事故的重大隱患，與本文相關(guān)的研究尚未深入開展。因此，為深入探索易流態(tài)貨物流態(tài)化發(fā)生后導(dǎo)致該類貨物運輸船傾覆發(fā)生的機理，本文依據(jù)粘性流體動力學(xué)理論、三維線性頻域勢流理論、脈沖響應(yīng)函數(shù)理論以及簡化的物面非

2、線性方法等對流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩及其與艙段間的耦合運動和穩(wěn)性問題開展了一系列的研究工作。
　　流態(tài)化貨物對艙段運動和穩(wěn)性的影響可分為流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運動晃蕩問題、艙段在波浪中時域運動的求解以及二者的大幅值耦合運動問題。首先，為考察流態(tài)化貨物艙內(nèi)受迫運動的晃蕩現(xiàn)象，基于粘性流體動力學(xué)理論并結(jié)合非牛頓流體本構(gòu)方程對流態(tài)化貨物的艙內(nèi)晃蕩問題進(jìn)行了數(shù)值計算和驗證。其中數(shù)值計算的貨艙模型取自載重噸57，000散貨船的典型艙段，縮尺比為1∶6

3、6;流態(tài)化貨物選用3種不同含水量的鎳礦砂，其流態(tài)化后的流變屬性采用非牛頓流體Herschel-Bulkley模型和Bingham模型來描述。不同含水量及外部激勵條件下，流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩力矩基本呈周期性變化;不同含水量下流態(tài)化貨物自由面的變形情況表明，隨著含水量的減小，流態(tài)化貨物相對于貨艙運動的滯后作用變得顯著;考慮貨艙內(nèi)裝設(shè)縱隔板時，在隔板高度比為0.4～1.0時，晃蕩力矩幅值及自由面運動減小速度最大，特別是在較大外部激勵幅值下，隔板

4、的阻礙作用更為顯著;流態(tài)化貨物粘度值也呈周期性變化，但隨著隔板高度的增加，其粘度峰值變大;相同外部激勵幅值下，當(dāng)外部激勵頻率在4.8rad/s附近時，晃蕩力矩幅值達(dá)到最大從而出現(xiàn)共振現(xiàn)象;相同外部激勵頻率下，晃蕩力矩幅值隨外部激勵幅值的增加基本呈線性增加，最后受到艙內(nèi)裝載流態(tài)化貨物數(shù)量的限制而趨于扁平從而偏離線性行為;單一改變貨艙寬度，隨著深寬比的增加晃蕩力矩幅值逐步減小，當(dāng)深寬比增加到一定值時其對晃蕩力矩幅值的影響變?nèi)酢?br>　　其

5、次，基于三維線性頻域勢流理論并結(jié)合脈沖響應(yīng)函數(shù)理論建立了浮體時域運動計算模型。為進(jìn)一步考察浮體的大幅值橫搖運動，預(yù)先求解浮體在不同橫傾角下的輻射、繞射問題及靜水復(fù)原力系數(shù)，通過數(shù)據(jù)擬合技術(shù)在時域計算時對浮體水動力系數(shù)的實時獲取建立了浮體簡化物面非線性時域仿真模型從而為解決流態(tài)化貨物和艙段間的大幅值耦合運動打下基礎(chǔ)。
　　最后，設(shè)計了載有流態(tài)化貨物的艙段模型并基于流態(tài)化貨物艙內(nèi)晃蕩計算模型和間接時域法建立了流態(tài)化貨物和艙段間的耦合運

6、動計算模型。該模型主要考慮了流態(tài)化貨物晃蕩力矩對二者耦合運動的影響，結(jié)果表明只考慮晃蕩力矩情況時，其在大部分波浪激勵頻率下對二者的橫搖耦合運動是起到減搖的作用。在對船舶穩(wěn)性研究方法分析基礎(chǔ)上為全面分析流態(tài)化貨物對艙段橫搖運動和穩(wěn)性的影響，建立了流態(tài)化貨物和艙段間耦合運動的簡化物面非線性時域仿真模型。在求解艙段大幅值橫搖耦合運動之前，進(jìn)行了流態(tài)化貨物艙內(nèi)橫傾數(shù)值試驗。流態(tài)化貨物艙內(nèi)運動時對艙段靜水復(fù)原力矩的影響通過記錄流態(tài)化貨物重心的橫向

7、偏移量進(jìn)行考察，一旦流態(tài)化貨物發(fā)生移動，艙段的復(fù)原力矩即被削弱。同時考慮流態(tài)化貨物晃蕩力矩以及其對艙段復(fù)原力矩的削弱作用，相同波幅下，在共振區(qū)附近橫搖耦合運動時歷曲線出現(xiàn)較為明顯的左右不對稱現(xiàn)象;繼續(xù)增大波浪幅值，在共振頻率下艙段的橫搖耦合運動繼續(xù)出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象并且隨時間變化而加劇，最終使得艙段復(fù)原力矩達(dá)到最小隨即傾覆得以發(fā)生。以上研究結(jié)果表明，由于流態(tài)化貨物艙內(nèi)運動對艙段復(fù)原力矩的削弱作用使得艙段在共振頻率下進(jìn)行大幅值橫搖運動時不能回