载液船舶液舱中的液体晃荡现象已引起人们的深刻关注,液体晃荡载荷与效应也已成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一。本文采用Level-set方法对液舱内液体晃荡的自由表面进行追踪,整个流域用统一的N-S方程描述,结合流场通度的概念和液体晃荡水弹性力学理论研究了液体晃荡与结构的相互耦合作用。本文所做工作具体如下: 1.建立了基于Level-set方法的描述液体晃荡的数学模型。采用SIMPLE算法求解流场控制方程,在MAC交错网格中采用Leap Frog差分格式和DuFort-Frankel差分格式(无条件稳定)的组合对N-S方程进行离散;采用积分平均型Superbee-TVD格式对Level-set输运方程进行求解;重新初始化方程的求解采用修正的Godunov方法,其中空间导数的离散采用5阶WENO格式构造。 2.提出了一种处理界面处物性参数过渡的方法,成功实现了大密度比(800:1)的气-液两相流界面迁移的数值模拟。 3.结合流场通度的概念,处理了流场内有障碍物的情况,通过在液舱内加设不同形式的防晃结构比较抑制晃荡的效果。 4.应用液体晃荡水弹性力学理论,建立了液体晃荡与结构相互耦合作用的数值模型,其中结构水弹性力学方程的求解采用Adams-Bashforth预估校正法,通过编程计算分析了不同激励频率和不同结构刚度下液体晃荡引起的结构响应特性。 通过上述工作,得到以下结论: 1.用Level-set方法处理液体晃荡问题,不需要显式地追踪自由液面,能较方便的处理运动液面的翻卷、破碎及合并等拓扑变形。 2.本文所提出的界面处物性参数过渡的方法既避免了因过大的物性参数间断而造成的计算不稳定,又保证了物理模型在界面处的逼真。 3.流场通度的概念与Level-set方法的结合,可以较好的处理流场内具有障碍物的液体晃荡问题;防晃结构的形式和尺寸对抑制晃荡的效果有明显的影响。 4.液体晃荡的幅度、频率与液体的粘性、液体装载深度和盛液容器的几何尺寸密切相关;外激励的频率对液体晃荡的幅度有相当大的影响。 5.结构的刚度对结构的响应具有影响,结构变形反过来也会影响液体的晃荡。