液体晃荡压力分布规律OpenFOAM模拟研究
第59卷第4期
2019年7月
大连理工大学学报
J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y
V o l .59,N o .4J u l y 2019
文章编号:1000-8608(2019)04-0400-09
液体晃荡压力分布规律O p
e n F O A M 模拟研究陈奕超1,2
, 薛米安*1,2, 彭天成1,2, 苑晓丽3, 朱爱蒙1,2
(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098;3.河海大学理学院,江苏南京 210098)
摘要:利用振动台试验数据对基于开源程序O p
e n F O AM 建立的液体晃荡模型进行了验证.利用验证后的数值模型研究了液体深度与液舱长度比为0.15和0.33两种工况下,矩形液舱在不同频率下的液体晃荡压力分布规律.冲击压力最大值及其均方差对频率的响应曲线显示液体深度与液舱长度比为0.33时比0.15时更容易发生剧烈的晃荡现象.不同液体深度的晃荡冲击压力对频率的响应曲线呈现不同的规律:对浅水晃荡来说,压力最大值随着频率的增
大先缓慢增大后快速减小;对有限水深晃荡来说,压力最大值随着频率的增大先快速增大后缓慢减小.晃荡压力沿舱壁的垂向分布规律表明最大冲击压力位于自由液面稍上处,并且位于最大冲击压力位置之下的压力沿舱壁的分布规律均可以拟合为二次多项式形式.关键词:液体晃荡;O p e n F O AM ;压力分布;二次多项式中图分类号:U 661.7
文献标识码:A
d o i :10.7511/d l l g
x b 201904011收稿日期:2019-01-10; 修回日期:2019-06-04.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51679079);江苏省研究生科研创新计划资助项目(S J K Y 19_0528
);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2019B 61014,2018B 12814,2019B 19314).
作者简介:陈奕超(1995-),男,硕士生,E -m a i l :981565058@q q
.c o m ;薛米安*(1981-),男,副教授,E -m a i l :c o e x u e @h h u .e d u .c n .0 引 言
近年来,超大油轮二超大型浮式L N G /L P G
船的广泛应用,使得液舱晃荡问题一直被广泛关
注.朱仁庆等[1-2]采用V O F 法对矩形液舱舱底中
间增加隔板后的液体晃荡现象进行了数值研究,同时他们还结合水弹性原理,建立了黏性流体与弹性结构耦合作用的液体晃荡水弹性力学理论与
分析方法.L e e 等[3]
模拟了流体黏度二密度比以及可压缩性对晃动荷载的影响.L i u 等[4]以及X u e
等[5-6]开发了一套能够模拟波浪破碎的强非线性液体晃荡数值模型,研究了不同结构挡板对黏性流体晃荡波的影响,并结合模型试验给出了不同结构挡板的减晃效果,分析了挡板的减晃机制.管
延敏等[7]
运用边界元法(B E M )
也对三维带挡板箱体内液体晃荡现象进行了数值研究.刘东喜
等[8]采用C L S V O F 界面捕获法对两层液体晃荡问题进行了数值研究.J e n a 等[9]运用M P S 研究了地震作用下的晃荡问题,发现高频地震对晃荡
的影响小于低频和中频的地震,而且低频地震会产生更高的晃荡冲击压力.
相比数值模拟而言,模型试验能更真实地预
测复杂的晃荡现象.P i s t a n i 等[10]
开展了L N G 液
舱的正弦横荡试验,以39k H z 的采样频率和
10m i n 的采样时间分别在19个采集点获取了大
量数据,并结合高速图像采集技术分析了冲击压
力与液体砰击舱壁形式之间的联系.刘戈等[11]开
展了L N G 独立C 型液舱的晃荡扫频试验,研究了不同载液率下实际共振频率与理论固有频率的
差异.薛米安等[12-13]利用振动台试验开展了矩形
液舱分别在随机与简谐激励下,不同激励参数对液体晃荡的影响规律.但是鲜有关于流场特征与压力关联的报道.事实上,晃荡流场的测量对了解液舱内部流动机理及压力分布规律十分重要,但试验测量流场具有一定的挑战性.因此选择数值模拟与试验相结合的方式开展不同载液率下晃荡压力的分布规律研究十分必要.
开源程序O p
e n F O AM 具有C++面向对象设计的良好扩展性,稳定而强大的底层类库,丰富
地应力及其分布规律
地应力及其分布规律 1 、地应力的基本概念 地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。 地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。 2、地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。 当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性， 地应力成因之一：地幔热对流（图1、图2） 地应力成因之一：板块边界受压（图3）
地应力成因之一：岩浆浸入（图4） 3、地应力的影响因素 地壳深层岩体地应力分布复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。1)岩体自重的影响 岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动 2)地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。 3)构造运动对地应力的影响 在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。研究表明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。 4)岩体的物理力学性质的影响 从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。 5)水、温度对地应力的影响 地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。4、地应力的分布规律
Tekscan压力分布测量系统
Tekscan 压力分布测量系统 摘要:介绍一种先进的压力分布测量系统,该系统使用 独特的柔性薄膜网格压力传感器,能够对任何接触面 之间的压力分布进行动态测量,并以直观、形象的二 维、三维彩色图形显示压力分布的轮廓和数值,进而做 出评估。对各种压力分布的测量和分析,在各行各业的研究和发展中都起着极其重要的作用。例如,汽车行业中, 研究座椅的舒适性,需要测量人体对座椅的压力分布; 为提高轮胎的性能,需要测量轮胎与地面的接触轮廓和 压力分布;为确保车门的密封性,需要测量车门密封垫 在关门时的受力分布;医疗领域中,牙科医生要诊断病 人的牙齿咬合状况,需要测量病人上下牙齿间的咬合力 大小和分布,等等。所以,压力分布的测量成为解决这 些问题的首要条件。而解决这些问题的传统办法就是 进行反复的实验,这样不但效率低,而且成本也比较高。 美国Tekscan 公司的压力分布测量系统就是基于 上述情况而开发的,它是一种经济、高效、精确、快速、 直观的压力分布测量工具。 1 系统结构与原理 Tekscan 压力分布测量系统的独特之处在于其专 利技术———柔性薄膜网格传感器。传感器结构如图1 所示。 图1 传感器结构示意图 标准的Tekscan 压力传感器由两片很薄的聚酯薄 膜组成,其中一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导 体,另一片薄膜的内表面铺设若干列的带状导体。导 体本身的宽度以及行间距可以根据不同的测量需要而 设计。导体外表涂有特殊的压敏半导体材料涂层。当 两片薄膜合为一体时,大量的横向导体和纵向导体的 交叉点就形成了压力感应点阵列。当外力作用到感应 点上时,半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化, 由此来反映感应点的压力值。即压力为零时,阻值最 大,压力越大,阻值越小,从而可以反映出两接触面间 的压力分布情况。 传感器内部导体的宽度、行距、列距决定了每单位 面积内传感点的个数,即间隙分辨率。每个传感点面 积可以小到1. 613 mm2 ,行列距可小到0. 5 mm。不同 的传感器面积和间隙分辨率可满足各种不同的测量要 求。例如,Tekscan 曾提供过面积为1 935 cm2 、传感点 为100 000 个的传感器; Tekscan 开发的牙齿咬合力分 析系统,传感器面积为25. 8 cm2 ,共有1 500 个传感 点;用于座椅压力分布研究的传感器具有4 000 个以 上的感应点,分辨率为1 个感应点/ cm2 。 传感器有不同的形状和规格,其压力测量范围为 0～175 MPa ,精确度为±5 %。
液体晃荡压力分布规律OpenFOAM模拟研究
第59卷第4期 2019年7月 大连理工大学学报 J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y V o l .59,N o .4J u l y 2019 文章编号:1000-8608(2019)04-0400-09 液体晃荡压力分布规律O p e n F O A M 模拟研究陈奕超1,2 , 薛米安*1,2, 彭天成1,2, 苑晓丽3, 朱爱蒙1,2 (1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098;3.河海大学理学院,江苏南京 210098) 摘要:利用振动台试验数据对基于开源程序O p e n F O AM 建立的液体晃荡模型进行了验证.利用验证后的数值模型研究了液体深度与液舱长度比为0.15和0.33两种工况下,矩形液舱在不同频率下的液体晃荡压力分布规律.冲击压力最大值及其均方差对频率的响应曲线显示液体深度与液舱长度比为0.33时比0.15时更容易发生剧烈的晃荡现象.不同液体深度的晃荡冲击压力对频率的响应曲线呈现不同的规律:对浅水晃荡来说,压力最大值随着频率的增 大先缓慢增大后快速减小;对有限水深晃荡来说,压力最大值随着频率的增大先快速增大后缓慢减小.晃荡压力沿舱壁的垂向分布规律表明最大冲击压力位于自由液面稍上处,并且位于最大冲击压力位置之下的压力沿舱壁的分布规律均可以拟合为二次多项式形式.关键词:液体晃荡;O p e n F O AM ;压力分布;二次多项式中图分类号:U 661.7 文献标识码:A d o i :10.7511/d l l g x b 201904011收稿日期:2019-01-10; 修回日期:2019-06-04. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51679079);江苏省研究生科研创新计划资助项目(S J K Y 19_0528 );中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2019B 61014,2018B 12814,2019B 19314). 作者简介:陈奕超(1995-),男,硕士生,E -m a i l :981565058@q q .c o m ;薛米安*(1981-),男,副教授,E -m a i l :c o e x u e @h h u .e d u .c n .0 引 言 近年来,超大油轮二超大型浮式L N G /L P G 船的广泛应用,使得液舱晃荡问题一直被广泛关 注.朱仁庆等[1-2]采用V O F 法对矩形液舱舱底中 间增加隔板后的液体晃荡现象进行了数值研究,同时他们还结合水弹性原理,建立了黏性流体与弹性结构耦合作用的液体晃荡水弹性力学理论与 分析方法.L e e 等[3] 模拟了流体黏度二密度比以及可压缩性对晃动荷载的影响.L i u 等[4]以及X u e 等[5-6]开发了一套能够模拟波浪破碎的强非线性液体晃荡数值模型,研究了不同结构挡板对黏性流体晃荡波的影响,并结合模型试验给出了不同结构挡板的减晃效果,分析了挡板的减晃机制.管 延敏等[7] 运用边界元法(B E M ) 也对三维带挡板箱体内液体晃荡现象进行了数值研究.刘东喜 等[8]采用C L S V O F 界面捕获法对两层液体晃荡问题进行了数值研究.J e n a 等[9]运用M P S 研究了地震作用下的晃荡问题,发现高频地震对晃荡 的影响小于低频和中频的地震,而且低频地震会产生更高的晃荡冲击压力. 相比数值模拟而言,模型试验能更真实地预 测复杂的晃荡现象.P i s t a n i 等[10] 开展了L N G 液 舱的正弦横荡试验,以39k H z 的采样频率和 10m i n 的采样时间分别在19个采集点获取了大 量数据,并结合高速图像采集技术分析了冲击压 力与液体砰击舱壁形式之间的联系.刘戈等[11]开 展了L N G 独立C 型液舱的晃荡扫频试验,研究了不同载液率下实际共振频率与理论固有频率的 差异.薛米安等[12-13]利用振动台试验开展了矩形 液舱分别在随机与简谐激励下,不同激励参数对液体晃荡的影响规律.但是鲜有关于流场特征与压力关联的报道.事实上,晃荡流场的测量对了解液舱内部流动机理及压力分布规律十分重要,但试验测量流场具有一定的挑战性.因此选择数值模拟与试验相结合的方式开展不同载液率下晃荡压力的分布规律研究十分必要. 开源程序O p e n F O AM 具有C++面向对象设计的良好扩展性,稳定而强大的底层类库,丰富
煤层瓦斯压力分布规律
煤层瓦斯压力分布规律 1．煤层瓦斯压力 煤层瓦斯压力是指赋存在煤层孔隙中的游离瓦斯游离瓦斯作用于孔隙壁的气体压力。它是决定煤层瓦斯含量一个主要因素，当煤的孔隙率相同时，游离瓦斯量与瓦斯压力成正比；当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤的吸附瓦斯量越大。煤层瓦斯压力也是间接法预测煤层瓦斯含量的必备参数。在瓦斯喷出、煤与瓦斯突出的发生、发展过程中，瓦斯压力也起着重大作用，瓦斯压力是预测突出的主要指标之一。 2．煤层瓦斯压力分布规律 研究表明，在同一深度下，不同矿区煤层的瓦斯压力值有很大的差别，但同一矿区中煤层瓦斯压力随深度的增加而增大，这一特点反映了煤层瓦斯由地层深处向地表流动的总规律，也揭示了煤层瓦斯压力分布规律。 煤层瓦斯压力的大小，取决于煤生成后煤层瓦斯的排放条件。在漫长的地质年代中，煤层瓦斯排放条件是一个极其复杂的问题，它除与覆盖层厚度、透气性能、地质构造条件有关外，还与覆盖层的含水性密切相关。当覆盖层充满水时，煤层瓦斯压力最大，这时瓦斯压力等于同水平的静水压力；当煤层瓦斯压力大于同水平静水压力时，在漫长的地质年代中，瓦斯将冲破水的阻力向地面逸散；当覆盖层未充满水时，煤层瓦斯压力小于同水平的静水压力，煤层瓦斯以一定压力得以保存。图1-16是实测的我国部分局、矿煤层瓦斯压力随距地表深度变化图，从中可以看出，绝大多数煤层的瓦斯压力小于或等于同水平静水压力。 图1也反映出有少部分煤层的瓦斯压力实测值大于同水平的静水压力，这种异常现象可能与受采动影响产生的局部集中应力有关，也可能有裂隙与深部高压瓦斯相连通，造成实测的煤层瓦斯压力值偏高。 在煤层赋存条件和地质构造条件变化不大时，同一深度各煤层或同一煤层在同一深度的各个地点，煤层瓦斯压力是相近的。随着煤层埋藏深度的增加，煤层瓦斯压力成正比例增加。 图1煤层瓦斯压力随距地表深度的变化