粒子法流固耦合仿真工业应用之大型容器LNG船和LBE堆液体晃荡

以下文章来源于shonDy粒子法流体仿真 ，作者王溪

液体晃荡（Sloshing）是工程设计中不容忽视的一个问题，例如赛车油箱吸油点布置，海浪中LNG船的结构安全，以及地震条件下液态金属冷却反应堆内动载荷分析等等。一个部分填充液体的容器在运动条件下，其内部液体晃动产生的动态压力会影响到容器本身的稳定性和完整性。CFD作为一种快速发展的技术，已经被广泛用于大型工程设计中的晃荡分析。

LNG船的运输容器体积庞大，可以达到26万立方米，如此大量的液化天然气在船体受到海洋条件影响时，其晃动对船体的反作用是工程设计必须考虑的问题。在核能领域，LBE或铅等密度很大的液态金属冷却剂在地震条件下会与压力容器产生相互作用，晃动的液态金属在堆内构件上会产生很大的动载荷。这种动载荷的大小与地震的频率和幅度，以及反应堆内的结构设计都有关。LNG船和LBE堆都是大型工程容器，在晃荡条件下最核心的工程问题是容器内部的动态压力载荷。

采用先进的粒子法仿真软件shonDy，只需要简单地导入容器的几何模型，以及流体的初始区域，然后输入容器随时间的位移速度和旋转角速度等，就可以快速启动计算了。无需网格划分和VOF模型。拉格朗日体系下运动的粒子天然地模拟流体的自由界面。在三维空间中，容器的运动和流体的晃荡更加接近真实物理现象。

为了验证shonDy软件的准确性，A. Souto-Iglesias (2011)所开展的SPHERIC实验被用作Benchmark算例。在该实验中，矩形实验容器部分填充染色的液体，容器以底部中心点为转轴左右摇摆，其转动的角速度为正弦曲线，最大旋转角度振幅为6度。实验容器的侧壁和顶部多个位置都安装了压力探测器，记录壁面压力随时间的变化。

shonDy计算的波浪形状与实验照片的对比

shonDy计算的动态压力载荷与实验数据的对比

计算结果表明shonDy软件可以准确获得晃荡条件下液体的自由界面和动态载荷。下面是两个shonDy工程应用的展示：

LNG船内液体晃荡

LBE冷却剂的晃荡

LBE反应堆内压力场（粒子数超过6百万）

最后需要补充的是，CFD虽然足够先进，但是对于存在气液相变的复杂问题，目前仍然需要采用实验与仿真相结合的方法。