带开孔格栅轴对称容器中液体晃荡问题的有限元方法研究

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轴对称储液罐在工程各个方面都有着广泛而重要的应用,当储液罐在受到外部激励时,由于罐内液体的晃动产生的晃动荷载等晃动响应会对液箱及其相关结构的安全性、稳定性以及动力学行为产生重要影响。为了降低液体由于晃荡产生的晃荡力以及液面波动对相关结构造成的危害,在储液罐中安装开孔格栅以起到降低晃动的作用。本文基于轴对称有限元方法研究了带有开孔格栅的轴对称罐体内液体晃动问题。有限元法(Finite element method,简称FEM)是求解微分方程问题的一种有效数值方法,它是从定解问题的变分形式出发导出相应的代数方程组的数值方法,并且基于有限元法本身物理概念浅显清晰,易于掌握,描述简单,便于编程,适用性强,以及单元本身可以离散成不同的形状,能有效模拟几何形状复杂的研究域。此外,对于所考虑的液箱几何形状为轴对称的情况,本文将流体的三维晃动问题有效地简化为二分之一截面上的二维晃动问题,大大提高了计算效率,本文的主要工作如下:(1)假定流体运动为无粘、无旋转和不可压缩,阐述了三维液体晃动的基本方程与几类边界条件,推导了轴对称液箱下的拉普拉斯方程并作为势流模型的控制方程,并结合边界条件建立等效泛函表达式,推导出轴对称有限元关于液体晃动问题的基本方程。(2)基于研究内容(1),可以得到刚度矩阵以及质量矩阵,详细推导了单层轴对称液体晃荡问题的有限元晃动公式,采用静态凝聚方法解决质量矩阵为奇异矩阵的问题。将液体晃荡的边界条件代入轴对称有限元基本公式中,通过矩阵变换得到带开孔格栅的液体晃荡有限元公式。将所提方法求解的固有晃动频率和晃动响应与解析解进行了比较,数值计算结果与解析解的结果吻合较好。针对含有单层液体的圆柱体、圆环柱、球体以及实际核电工程PCS重力水箱,考虑了横向环形或竖向圆柱形开孔格栅的位置、长度、宽度、格栅开孔系数等参数对液体晃动的影响。进一步计算了液体对液箱壁的晃动力以及自由液面高度等物理量,以研究开孔格栅对液体晃动的抑制作用。(3)基于研究内容(1)和(2),加入双层液体交界面的边界条件,通过矩阵变换与静态凝聚,详细推导了双层轴对称液体晃荡(含开孔格栅)的有限元晃动特性公式,并建立双层液体的圆柱、圆环柱、球体和PCS重力水箱的数值模型。首先针对圆柱形模型,本方法计算的自振频率与参考文献作比较,同时计算了考虑双层液体密度比接近于1时的晃动响应与单层液体进行比较,验证了本文方法的正确性。除此之外,还计算了不同密度比下的自振频率与自由液面高度,分析了四种模型中不同位置、宽度的横向环形格栅和不同半径和垂直高度的同轴圆柱形竖向格栅以及开孔格栅系数对晃动特性的影响(即晃动力和自由液面高度)。通过研究可以得到,选择合理的开孔格栅类型、开孔系数、以及几何参数对晃动响应有较大的抑制作用,能获得最佳的减晃方案。
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