不同海浪譜激勵下矩形液艙內液體晃蕩試驗研究

薛 米 安， 陳 奕 超， 苑 曉 麗， 邢 建 建

( 1.海岸災害及防護教育部重點實驗室(河海大學)， 江蘇 南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院， 江蘇 南京 210098；3.河海大學 理學院， 江蘇 南京 210098 )

0 引 言

海洋中蘊藏著全球70%的油氣資源，隨著我國能源需求的急劇增加，開發深海油氣資源成為我國能源增量的主要途徑之一．為了確保油氣資源在海洋中的安全運輸，減少不必要的經濟損失及原油泄漏等災害的發生，有必要對與原油和液化天然氣運輸緊密聯系的液體晃蕩問題進行深入研究，因為該問題直接影響著充液容器的結構安全及海洋中液貨船舶航行的穩定性．

近年來，晃蕩問題尤其是簡諧激勵下的液體晃蕩被廣泛關注[1-4]．事實上海浪、地震波等都屬于不規則波，深入研究不規則波激勵下的液體晃蕩特性，以及相關的水動力學問題具有更重要的工程應用價值．針對液體晃蕩問題，目前的研究方法主要有3種：基于勢流假設的理論分析、基于尺度物理模型的試驗研究和基于求解各類流體控制方程的數值模擬．在理論分析方面，Chen等[5]基于勢流理論研究了地震波激勵下的大幅度液體晃蕩．然而，在實際的工程應用中，液體晃蕩一般會非常劇烈，特別是在極端條件下液體自由面會發生破碎而表現出強烈的非線性特性，再加上自由面的時變性，理論分析受到了限制．模型試驗被認為是最能夠準確描述液體晃蕩現象的一種方法，Nasar等[6]通過模型試驗研究了駁船上充液容器在不規則波激勵下的晃蕩壓力分布．蔣梅榮等[7]基于振動臺試驗研究了簡諧激勵下彈性側壁液艙內的共振晃蕩特性．但是由于模型試驗存在尺度效應等問題，再加上試驗裝置的昂貴價格，數值模擬成為研究晃蕩問題最常用的方法．

朱仁慶等[8]基于CFD技術，提出了LNG船薄膜型液艙晃蕩壓強的數值預報方法并和模型試驗結果進行了對比，結果顯示所建立的數值模型能夠有效地預報LNG船液艙晃蕩荷載．此外，李文剛等[9]利用有限元模型研究了水平地震激勵下的儲罐液體晃蕩．Zama等[10]研究了在地震波作用下，地面長時間振動所誘發的液體晃蕩對石油儲罐的破壞．Ikeda等[11]通過求解Laplace方程，研究了圓柱形容器內液體晃蕩對結構物非線性隨機響應的影響．Wang等[12]基于全非線性波浪勢流理論采用有限元法，分析了二維矩形容器在隨機激勵下的液體晃蕩現象．Sriram等[13]通過求解Laplace方程，數值研究了水平和垂向隨機激勵下的二維晃蕩波．Chen等[14]通過求解二維不可壓歐拉方程，研究了海浪誘導下浮式容器中的全非線性液體晃蕩現象，以及晃蕩流體對浮體運動的影響．鄧棋等[15]基于OpenFOAM開源代碼采用超諧共振穩態解作為外部激勵，研究了船舶在超諧共振橫搖條件下的晃蕩特性，發現在此條件下自由液面容易出現翻卷、破碎等強非線性現象，艙壁壓力歷時曲線表現出多峰值特征，且峰值要遠大于簡諧激勵的情況．

綜上所述，隨機激勵下的液體晃蕩及其相關的水動力學問題，逐漸受到各國研究人員的重視．然而目前隨機激勵下的晃蕩研究還鮮有涉及不同譜型對液體晃蕩影響的討論．當具有相同譜峰周期和有效波高時Bretschneider譜和JONSWAP譜的能譜密度函數具有較大的不同，前者波浪能量在頻域上的分布相對分散，譜形較平緩，屬于典型的寬頻帶譜；后者波浪能量在頻域上的分布相對集中，譜形較尖銳，離散度高，屬于典型的窄頻帶譜．為進一步探索不同隨機海浪譜激勵下的液體晃蕩統計特征，本研究以典型的寬頻帶Bretschneider譜和窄頻帶JONSWAP譜兩種譜，分別作為輸入譜驅動液體晃蕩平臺作隨機運動，比較分析不同隨機運動激勵下矩形液艙內晃蕩波高、自由液面形狀及晃蕩壓力隨譜峰周期和有效波高的變化規律，為不同海域中液貨船舶航行的穩定性，以及液艙結構安全設計提供有益的參考和借鑒．

1 試驗設置

1.1 隨機運動模擬平臺

利用不規則波造波機建立了如圖1所示的液體晃蕩試驗平臺并組建了相應的測量系統[16-17]．壓力傳感器、浪高儀、攝像機、位移傳感器分別被用于測量液體在隨機晃蕩過程中的砰擊壓力和自由液面高程、形狀及液艙的運動位移等物理量隨時間的變化規律．數據采集系統被用于保存并實時顯示各個傳感器的測量數據．該試驗平臺可被用于開展JONSWAP譜和Bretschneider譜等各種隨機海浪譜所生成隨機運動激勵下的液體晃蕩特性研究．

圖1 液體晃蕩試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental rig for liquid sloshing

JONSWAP譜的表達式如下：

γexp[-(Tpf-1)2/2σ2]

(1)

(2)

(3)

(4)

Bretschneider譜的表達式如下：

(5)

其中ωp為譜峰頻率．

通過不規則波造波機可將海浪譜轉化成如下的隨機運動位移：

(6)

1.2 液艙模型及測量儀器布置

試驗中矩形液艙的長度L=0.57 m，寬度W=0.31 m，高度H=0.70 m．該液艙由6 mm厚的透明有機玻璃板制作而成．浪高儀及壓力傳感器的布置如圖2所示，兩只浪高儀分別布置在離矩形液艙左右側壁10 mm位置處并被固定在液艙上，4只壓力傳感器依次安裝在液艙右壁離水箱底部65、105、145和185 mm處．液艙內的液體深度h=0.18 m保持不變．液體為室溫下的自來水．

圖2 壓力傳感器及浪高儀的試驗布置(單位:mm)Fig.2 The experimental layout of wave gauges and pressure transducers (unit: mm)

對于液深為h、長度為L的二維矩形容器，根據線性波浪理論推導出的色散方程可求得固有頻率

(7)

不知過了多久，漸入夢境的王樹林被一陣波動驚醒，有人掀起被角從他的腳畔鉆了進來。像一條濕滑的魚。是辛娜，浴后的辛娜光著身子鉆到了王樹林的胸前，不由分說滾燙地咬住了王樹林的嘴唇。王樹林的鼻息間，酒氣彌漫。

1.3 試驗工況

對海浪譜來說，給定有效波高和譜峰周期，即可確定頻譜密度隨頻率的變化關系，從而根據方程(6)便可以通過造波機利用位移傳感器測得與推波板相連的液體晃蕩試驗平臺的隨機運動位移曲線．在試驗中，采用的兩種海浪譜的9組有效波高和譜峰周期如表1所示．

在9組工況下，除非有特殊說明，試驗持續時間均為40 s．在40 s內由位移傳感器測得的兩種海浪譜作用下液體晃蕩試驗平臺的沖程ds隨有效波高和譜峰周期的變化規律如圖3所示．從圖3(a)中可以看出兩種海浪譜作用下液體晃蕩試驗平臺的水平沖程隨譜峰周期的增加盡管有減小的趨勢但并不是單調減?。斢行Рǜ邽?.015 m且譜峰周期為1.2 s時，JONSWAP譜作用下的試驗平臺水平沖程均明顯大于其他試驗工況．圖3(b)顯示試驗平臺的水平沖程隨有效波高的增加而增大，且兩種海浪譜作用下的水平沖程相差較?。?/p>

表1 Bretschneider譜和JONSWAP譜的9組有效波高及譜峰周期

Tab.1 Significant wave height and peak period of Bretschneider and JONSWAP spectra

試驗工況有效波高Hs/m譜峰周期Tp/sCase 1Case 2Case 3Case 4Case 5Case 6Case 7Case 8Case 90.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0200.0250.0300.81.21.51.82.02.42.42.42.4

(a) 隨譜峰周期變化

(b) 隨有效波高變化

圖3 Bretschneider譜與JONSWAP譜作用下液體晃蕩試驗平臺的沖程隨有效波高和譜峰周期的變化關系

Fig.3 The stroke of shaker table varying with significant wave height and peak period of Bretschneider spectrum and JONSWAP spectrum

2 結果與討論

2.1 自由液面高程

當有效波高Hs=0.015 m并保持不變時，圖4(a)給出了Bretschneider譜與JONSWAP譜激勵作用下液體晃蕩最大自由液面高程與譜峰周期的關系．從圖4(a)中可以看出，在兩種海浪譜作用下，矩形液艙內浪高儀1和浪高儀2測點處液體晃蕩自由液面高程的最大值基本上隨著譜峰周期的增加而減?。缮⒎匠?7)可求得當液體深度h=0.18 m時，充液艙的固有周期T0=0.98 s．隨著譜峰周期的增加，海浪譜的峰值頻率逐漸偏離充液艙的最小固有頻率，因此使得液體晃蕩的自由液面高程也逐漸減?。瓹ase 2中，在Bretschneider譜作用下浪高儀2處具有較大的最大自由液面高程，主要原因是此工況中的譜峰頻率接近充液艙的固有頻率，導致強非線性晃蕩現象的發生．

(a) 隨譜峰周期變化

圖4 Bretschneider譜與JONSWAP譜激勵作用下液體晃蕩最大自由液面高程隨譜峰周期及有效波高的變化規律

Fig.4 Relation between the maximum free surface elevation of liquid sloshing and peak period，significant wave height excited by Bretschneider spectrum and JONSWAP spectrum

當譜峰周期Tp=2.4 s并保持不變時，圖4(b) 給出了Bretschneider譜與JONSWAP譜激勵作用下，液體晃蕩最大自由液面高程與有效波高的關系．由圖4(b)可知，在兩種海浪譜作用下，液艙內浪高儀1和浪高儀2測點處的自由液面高程最大值均隨著有效波高的增加而增大．當兩種海浪譜具有相同有效波高和譜峰周期時，由圖4可觀測到相同測點處Bretschneider譜作用下液體晃蕩自由液面高程的最大值均稍大于JONSWAP譜激勵作用下液體晃蕩自由液面高程的最大值，因此液艙在Bretschneider譜作用下會產生更為劇烈的晃蕩現象．

事實上，Bretschneider譜的能譜密度函數較JONSWAP譜平緩，屬于寬帶譜，能量密度在頻域上的分布相對均勻．因而Bretschneider譜激勵下，液艙內液體在較寬的頻帶內會獲得更多的能量．當水深不變時，充液艙的最低固有頻率f0=1.019 Hz也保持不變，在該頻率下恰好Bretschneider譜的能量密度大于JONSWAP譜的能量密度．因此，如圖5所示，試驗工況為Case 1時，在Bretschneider譜作用下液艙內的液體具有較大的爬高．

為深入研究晃蕩自由液面高程與海浪譜譜峰頻率之間的關系，采用快速傅里葉變換對自由液面高程隨時間的變化曲線進行了頻域分析．如圖6所示，給出了9組具有不同譜峰頻率和有效波高的Bretschneider譜與JONSWAP譜激勵下，浪高儀1處自由液面高程變化的能譜圖．由圖6可得，9種工況所對應的第一峰值頻率依次為1.000、0.975、1.000、1.000、1.000、1.025、1.025、1.025 和1.025 Hz，其中Case 2有兩個較顯著的峰值頻率依次為0.975和1.025 Hz，均較接近由色散方程(7)求得的充液艙的最低固有頻率1.019 Hz，表明在此工況下液艙內液體產生了接近共振現象的劇烈非線性晃蕩．從自由液面高程能譜圖中看出，第一峰值頻率均接近充液艙的最低固有頻率，這表明自由液面波形的變化主要受液艙固有頻率的調制．海浪譜激勵下液艙內液體晃蕩生成的自由表面波能量也主要分布在系統最低固有頻率附近．海浪譜譜峰頻率與譜型對受激晃蕩波的能量在頻率上的分布沒有顯著的影響．但是從圖6中可知，當具有相同的有效波高和譜峰頻率時，在Bretschneider譜生成的不規則運動的激勵下，液艙內液體會受激產生較為劇烈的晃蕩現象．

圖5 Bretschneider譜和JONSWAP譜激勵下液艙內左右兩側壁處晃蕩波最大爬高位置比較

Fig.5 Comparisons of the maximum free surface profile at left and right tank walls excited by Bretschneider spectrum and JONSWAP spectrum respectively

2.2 動態壓力分布

液體晃蕩的關鍵問題是，確定極端條件下的最大晃蕩沖擊荷載和晃蕩荷載的時間歷程及其統計特性．晃蕩荷載與自由液面的大幅度變化密切相關，預測由液體晃蕩引起的極限壓力荷載，對充液系統的結構強度設計，及對載有充液系統各種結構物的穩定性分析都具有十分重要的工程意義．為了研究有效波高、譜峰頻率與譜型對液體晃蕩沖擊壓力分布的影響，圖7(a)給出了作用在水箱右側壁不同位置處的最大動態壓力與譜峰周期和譜型的關系．從圖7(a)中可以得出，當有效波高等于0.015 m并保持不變時，受迫晃蕩的液體對液艙右側壁的最大沖擊壓力隨著譜峰周期增加而減?。畬τ谕粶y點，海浪譜Bretschneider譜激勵下的最大動態壓力要比JONSWAP譜激勵下的動態壓力稍大，而且最大動態壓力在液艙內壁上的分布從液艙底部到自由液面處依次增大，位于自由液面以上的壓力測點P4的最大動態壓力最大，表明越靠近自由液面，液艙內受迫晃蕩的液體對液艙內壁的沖擊荷載越大．

圖6 不同有效波高和譜峰周期下不規則運動激勵下浪高儀1處自由液面變化的能譜密度

Fig.6 Spectra density of free surface at the wave gauge 1 due to irregular wave excitation for different significant wave heights and peak periods

(a) 隨譜峰周期變化

圖7 Bretschneider譜與JONSWAP譜激勵下液體晃蕩最大動態壓力與譜峰周期及有效波高的關系

Fig.7 Relation between the maximum dynamic pressure of liquid sloshing and peak period, significant wave height excited by Bretschneider spectrum and JONSWAP spectrum

圖7(b)給出了作用在液艙右側壁不同位置處的最大動態壓力與有效波高和譜型的關系．從圖7(b)中可看出當譜峰周期等于2.4 s并保持不變時，最大動態壓力隨著有效波高的增大而單調增大．對于同一壓力測點，寬頻帶Bretschneider譜激勵下最大動態壓力比窄頻帶JONSWAP譜激勵下最大動態壓力大．動態壓力在液艙內壁上的分布從液艙底部到自由液面附近依次增大，且位于自由液面以上的壓力測點P4處的動態壓力最大．從圖7中也可以得出對于相同的波要素即有效波高和譜峰周期，Bretschneider譜作用下液艙右側壁的最大動態壓力要大于JONSWAP譜作用下的最大動態壓力．對于自由液面以下的壓力測點，作用在液艙右側壁上的動態壓力在最接近自由液面的P3位置處具有最大值，這是由于液艙在隨機運動激勵下，自由液面處的液體波動最為劇烈，導致晃動的液體與液艙內壁之間形成如圖8所示的強烈砰擊作用．

圖8展示了Bretschneider譜(Case 1)作用下，液體晃蕩波的演化過程及其與液艙內壁的相互作用．從圖8中可以看出，隨機海浪譜激勵下的晃蕩波屬于典型的破碎行進波，當行進波傳播到液艙內壁附近時，由于行進波波形傳播速度大于液艙運動速度或行進波波形傳播方向與液艙運動方向相反時，就會發生行進波撞擊液艙內壁形成劇烈的波浪破碎乃至液滴飛濺等強非線性砰擊作用．

圖8 Bretschneider譜(Case 1)作用下液體晃蕩波的演化及其與液艙內壁的相互作用Fig.8 Snapshots of the liquid sloshing wave and its interaction with tank wall excited by Bretschneider spectrum (Case 1)

3 結 語

通過改變有效波高和譜峰周期，分別研究了Bretschneider譜與JONSWAP譜作用下的隨機液體晃蕩現象．當有效波高和譜峰周期相同時，液艙在Bretschneider譜生成的不規則波激勵下，會產生更為劇烈的波動現象．當有效波高保持不變時，自由液面高程的變化幅度隨著譜峰周期的增加而減??；當譜峰周期保持不變時，自由液面高程變化的幅度隨著有效波高的增大而增大．基于快速傅里葉變換，對自由液面高程時間歷程的頻域分析表明，自由液面波形的變化主要受液艙最低固有頻率的調制．由液體晃蕩生成的自由表面波的能量主要分布在液艙的最低固有頻率附近，譜峰頻率與譜型對晃蕩波的能量在頻率上的分布沒有顯著的影響．此外，通過試驗觀測發現在海浪譜作用下，液艙內容易生成破碎行進波．

相同波要素時，Bretschneider譜作用下，液艙右側壁的最大動態壓力大于JONSWAP譜作用下的最大動態壓力，而且最大動態壓力在液艙內壁上的分布，從液艙底部到自由液面依次增大，且位于自由液面上的壓力測點處的最大動態壓力一般大于自由液面下壓力測點處的最大動態壓力．當有效波高保持不變時，晃蕩的液體對液艙右側壁的沖擊壓力隨著譜峰周期的增加而減??；當譜峰周期保持不變時，晃蕩沖擊壓力隨著有效波高的增加而增大．

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