TransAT | 基于level Set的液舱晃荡数值模拟

知乎：多相流在线

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/197335314

 

液体晃荡现象在工程领域广泛存在，是指容器内介质自由表面波动引起的介质运动。除空载和满载外，可以说任何一个载液系统在一定条件下都可能发生晃荡，较为常见的载液系统有油罐车的储油罐、货轮的液舱以及飞机的油箱等。

大型储液舱的部分装载晃荡问题是影响其运载装备安全性的一个重要因素。液舱晃荡具有很强的随机性和流动性，产生的冲击载荷对舱壁具有相当大的破环作用，轻则舱壁结构变形，重则使舱壁发生破损。随着液化天然气在能源领域的大力推广，海上运输需求促进了液化天然气载运船（LNG船）结构安全的深入探讨，尤其是在20世纪60-70年代发生了几起重大事故后，液舱晃荡安全问题越来越受到重视。

液化天然气载运船（LNG船）液货舱内部

计算流体力学（CFD）技术可以拓宽实验研究范围、降低实验工作量、减少实验成本，随着计算机科学和流体力学理论的发展，CFD被广泛用于大型工程设计中的晃荡分析。

液舱晃荡数值分析方法

液舱晃荡常用的数值方法包括基于欧拉法的VOF法和Level-Set法、基于拉格朗日观点的无网格法SPH和MPS、以及欧拉-拉格朗日相结合的ALE方法。

其中，VOF方法处理流动界面时依赖网格的细化程度，对复杂尖锐界面的模拟效果并不理想，但计算过程中满足质量守恒；Level Set方法处理复杂界面的能力强，其自由表面的追踪精度远高于VOF方法，但每一个时间步都要重新初始化LS函数，这会导致质量不守恒。

多相流分析软件TransAT从算法上对Level Set方法进行优化，通过质量重新初始化方法对质量守恒进行修正，在捕捉液舱晃荡具有明显自由表面的界面流方面，具有独特优势。

实验及计算设置

实验选取马德里理工大学所做的SPHERIC晃荡标模实验进行对比（可参阅文末参考文献）。

液舱绕原点做正弦摆动，晃荡过程中会出现自由面翻卷、破碎和融合，为有效捕捉界面流动现象，采用TransAT软件IST/BMR网格技术将自由面可能到达的区域进行了网格细化，如下图所示。液面变化采用Level Set方法来捕捉。

液舱运动及网格细化

多相流在线的视频

 · 211 播放

液舱运动采用浸入界面技术IST进行处理，在求解时，固体的外边界由符号距离函数Ф = 0来表示，Ф < 0为流场，Ф > 0为固体内部，固体拥有自己的热物理性质。当固体与液体耦合运动时，随着固体的移动，距离函数也会不断的修正。

实验结果 VS 计算结果

将TransAT软件液舱晃荡计算结果与晃荡标模实验进行对比，如下图，液舱从静止开始晃荡，液舱内液体会随着液舱一起晃荡，此时液体运动强非线性现象特别突出。

液舱晃荡计算结果与实验对比

多相流在线的视频

 · 398 播放

TransAT计算得到的液面变形与实验观察到的液面变形非常相近，以下是不同时刻液面的典型形状对比图。

t=1.154s 实验与数值结果波形对比t=2.885s 实验与数值结果波形对比t=3.385s 实验与数值结果波形对比t=3.884s 实验与数值结果波形对比t=4.269s 实验与数值结果波形对比

采用多相流分析软件TransAT进行液舱晃荡计算，液舱运动及流体晃荡更加接近真实物理现象，Level Set方法可以有效捕捉自由液面的波形，有助于具有液体晃荡现象载液系统工具设备安全及结构优化设计分析。