[发明专利]一种评估含水平隔板液舱晃荡固有周期的方法

说明书

本发明涉及一种评估含水平隔板的液舱晃荡固有周期的方法，其中，所述方法包括以下步骤：S1、采用边界元数值方法大量求解不同液舱尺寸、不同水平隔板尺寸和不同水平隔板布置对应的含水平隔板的液舱晃荡固有周期；S2、对步骤S1得到的数据进行数学模拟，得到含水平隔板的液舱晃荡固有周期的计算公式为：其中，ξ＝πh/l_e，l_e＝c×l，c为修正参数。

技术领域

本发明涉及船舶领域，具体地涉及一种评估含水平隔板液舱晃荡固有周期的方法。

背景技术

液货船是近年来兴起的船舶类型，如油船、液化天然气船和液态化学品船等，此类船舶往往设置多个大型液舱用于储存运送液体。与传统船型相比，液货船的一个重要特征为货物的流动性。在海上航行时，因风浪流等外界因素作用，船舶会产生摇荡，进而导致液舱内液体的摇荡运动，即液舱晃荡现象。液舱晃荡会给船舶安全性带来重大危害，剧烈的液舱晃荡可导致液舱结构破坏，甚至加剧船舶摇荡运动进而导致船舶倾覆。评估液舱晃荡危害的一个重要指标为液舱晃荡的固有周期，当液舱晃荡固有周期与船舶摇荡周期接近时，发生共振，液舱晃荡程度显著加剧，工程上应极力避免。

鉴于液舱晃荡固有周期的重要性，学术界提出了多种方法评估液舱晃荡固有周期，总体可概括三大类：理论法、试验法和经验法。理论法基于流体力学基本原理推导液舱晃荡固有周期的表达式，该方法最为准确且快捷，但仅适用于规则形状的光滑液舱(如矩形液舱、圆柱形液舱等)，对于复杂形状的液舱或带有内部构件的液舱，该方法失效。试验法采用实物模型试验或商业流体工程软件，通过实物模拟或数值模拟确定液舱晃荡固有周期，此方法可以较准确地得到液舱晃荡固有周期且不受液舱几何形状的限制，但实物试验与数值模拟耗时久、成本高，且往往需要多次重复试验，因此工程适用性差。经验法借助大量试验数据及工程实际经验，提出各式各样的经验修正方法来评估液舱晃荡固有周期，此法方便快捷，可以较准确地得到液舱晃荡固有周期，可用于特殊液舱形状，是目前工业界的主流方法，但适用范围有限，某一经验方法仅对某种液舱有效，对其他类型液舱无效。

目前工程界评估液舱晃荡固有周期时普遍混合采用理论法和经验法，即基于矩形液舱晃荡固有周期的理论解，并针对形状变化与内部构件等情况进行经验性修正。液舱晃荡固有周期计算公式的原型来源于光滑矩形液舱的晃荡公式。光滑矩形液舱晃荡示意图如图1所示。根据势流理论，矩形液舱晃荡现象的控制方程为：

当x＝±l/2时

当z＝-d时

当z＝0时

其中Φ为速度势，g为重力加速度。采用标准的分离变量法求解以上固有值问题，即得目前公认的光滑矩形液舱晃荡固有周期：

采用无量纲方式，得无量纲晃荡固有周期为

目前国际上普遍认可的方法为采用国际几家主流船级社推荐的方法。下面分别介绍。

(1)英国船级社推荐方法

英国船级社推荐的方法以矩形液舱晃荡固有周期的基本理论解为原型，并进一步考虑了底部有垂直构件的情形，如图1所示。该方法认为增加了底部垂直构件后，液体的有效深度由原F变为其中n为底部构件的个数(在图2中取4)。

(2)美国船级社推荐方法

美国船级社推荐的方法以矩形液舱晃荡固有周期的基本理论解为原型，并进一步考虑了底部有垂直构件且设有垂直开口舱壁(或强框架)的情形，如图3所示。该方法认为增加了底部垂直构件和开口舱壁后，液体的有效深度由原d变为其中n为底部构件的个数(在图3中取4)。增加了开口舱壁后，液体的有效宽度由原l变为[1-(1-α)/4-(1-α)²/4]²×l，其中α为开口舱壁在该液面深度下的开口面积比(即液面以下开口部分面积/液面以下总面积)。