基于OpenFOAM的液舱隔板减晃模拟

海上浮式结构中的晃荡现象

本案例基于OpenFOAM的两相流求解器interFoam，对典型隔板减晃措施的两相流问题进行数值模拟。

常见的隔板形状

从左到右依次为：弧形、格栅形、垂直

     

数 学 模 型

气液两相流中，在不考虑热交换和液体的压缩性前提下，控制方程为连续性方程和动量方程。由于两相流中存在交界液面，结合Hirt和Nichols提出捕捉自由面的VOF模型，整理后可得到VOF模型的两相流控制方程组：

     

算 例 实 现

对于数值模型，OpenFOAM自带教程中提供薄膜型液舱晃荡算例，以OpenFOAM 2.3.x为例，晃荡算例位于：

在字典文件中，涉及到searchableSurface的使用，用户需提供一个封闭曲面（surface），完全位于曲面内的面将被标记选中，封闭曲面可提供的方式如下图所示：

设置封闭曲面的方式

对于简单的垂直矩形隔板，使用searchableBox即可，复杂形状隔板建议采用triSurfaceMesh导入外部stl文件进行标记。createBaffles中可设置对应baffle的边界条件，具体操作为：设置fields为true，在patchFields中给出各物理量的边界条件。

createBafflesDict示例

     

压力和波高数据提取方法

• 关于壁面压力，可参考教程算：$FOAM_TUTORIALS/multiphase/interDyMFoam/ras/sloshingTank2D/system/controlDict中probe使用示例；
• 若需获取壁面合力，可使用后处理工具force，具体设置参考：$FOAM_SRC/postProcessing/functionObjects/forces/forces/forces.H 波高的提取；

• 对于静态网格，可采用OpenFOAM7版本新增的interfaceHight后处理工具，基本思路为在高度方向对VOF中的alpha物理量进行线积分，老版本OF解决方法建议下载IHFOAM求解器，自带波高处理插件。

波高提取interfaceHeight的设置示例

     

运 动 自 由 度

液舱晃荡中，液舱的运动需提前设定，对应数值模型中动网格constant/dynamicMeshDict字典的设置，具体设置Wiki上有详细说明。此处实现方法不唯一，对于多自由度简谐激励，建议参考$FOAM_TUTORIALS/multiphase/interDyMFoam/ras/sloshingTank3D6DoF/中的自定义方式设置，其中的6DoF.dat文件由gen6DoF命令生成，编译完对应源文件后运行即生成。

自定义简谐运动gen6DoF中的参数设置

     

垂直隔板减晃模拟

基于OpenFOAM得到的垂直隔板减晃模拟结果如下：  

基于OpenFOAM的垂直隔板减晃模拟结果

     

验 证 结 果

圆柱形液舱尺寸

表 1 液舱减晃验证算例信息

添加环形隔板的圆柱形液舱渲染图（紫色为环形隔板）

带环形隔板的三维圆柱液舱晃荡的壁面波高时程曲线验证

上图为不同高度环形隔板的圆柱液舱壁面处波高历时曲线与Biswal et al. (2006)数值结果的对比。高位置隔板在最后2个周期的数据存在一定偏差，这与Biswal模型未考虑流体粘性有关，其余结果与文献数据基本吻合。