一种带双层圆筒形格栅的储液罐及其受力计算方法与流程

本发明属于储液装置技术领域，涉及一种带双层圆筒形格栅的储液罐及其受力计算方法，具体的说就是一种能够借助双层圆筒形格栅的良好消能性能即凭借孔隙耗散液舱内部的晃荡能量来达对晃荡液体抑制效果的储液罐。

背景技术：

在航空航天、水利工程渡槽结构、大型远洋船舶运输和超大型原油储存罐等工程领域，液体晃荡是一种普遍存在的现象，并影响着工程结构的设计和工程运行的安全。这类罐体的特点是储量大，当外界激励频率接近容器固有频率时，液体晃荡便会发生共振，出现大幅振荡。剧烈的液体振荡将在容器壁面上产生极大的动水压力，从而危及容器安全。例如对于船舶、舰艇等海上运载工具，罐体的破坏可能造成油料的泄露造成海洋的污染，船舶的倾覆更是人们生命财产安全的巨大损失；对于油库、核电站等民生企业，这类企业往往靠近城市，罐体一旦破坏，极易发生二次事故，将会对人们的生命财产造成严重的损失，对城市生态环境产生破坏，后果不堪设想。

掌握储液罐晃荡发生的机理，并且有针对性的进行合理的液舱设计，优化储液容器结构、减少液舱晃荡幅值和冲击压力，降低事故发生的可能性是当前的研究热点和重点。而在液舱内设计阻尼结构是一种使用、便捷的方法，这种结构又以阻尼隔板最为简单，然而，挡板类型及其在容器中的相对位置所带来的减晃效果存在巨大的差异。不同类型隔板减晃机理成为合理设计液舱的关键。针对圆柱储液箱，现有的研究和设计成果大多局限于单根或者多根环形水平实体挡板(固定在容器边壁上)，但对和圆柱液箱同轴的竖向挡板研究尚未见报道，要是设置该类挡板容易造成容器被分割成多个独立的水箱，反而起不到减晃作用。结合海岸工程领域开孔板防波堤的良好消浪性能，开孔格栅移植到圆柱液箱内能有效抑制流体在液舱边壁上的大幅度爬升，并凭借孔隙耗散液舱内部的晃荡能量，同时也可大大减少箱体所受到的巨大冲击力。

技术实现要素：

针对现有技术提供的问题，本发明提供一种带双层圆筒形格栅的储液罐及其受力计算方法，具体的说就是一种能够借助双层圆筒形格栅的良好消能性能即凭借孔隙耗散液舱内部的晃荡能量来达对晃荡液体抑制效果的储液罐。

借鉴海洋工程中的开孔板防波堤，首次提出一种带双层圆筒形格栅的储液罐。通过调整开孔格栅的孔隙系数能起到非常有效的消能减晃效果，降低工程造价，能产生良好的经济效益、容易设计和使用方便；同时数值计算结果表明双层开孔格栅比单层的减晃效果更佳。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种带双层圆筒形格栅的储液罐，包括罐壁1、罐顶2、格栅一3、格栅二4、注液口5、罐底7。所述的罐壁1、格栅一3、格栅二4均为圆筒形，三者在任意横截面同心，其中格栅一3为内层格栅，格栅二4为外层格栅。格栅一3、格栅二4均为开孔结构，其孔隙影响系数可相同也可不同，格栅一3、格栅二4的孔隙影响系数是均匀的。格栅一3、格栅二4与灌顶2和罐底7之间通过焊接相连；注液口5在罐壁1的下部，用于向储液罐内注入液体6，液体6为油、水等。

上述带双层圆筒形格栅的储液罐通过孔隙耗散液舱内部的晃荡能，起到减晃的效果，上述储液罐所受力(晃荡力)计算方法包括以下步骤：

设储液罐的罐体半径为b，格栅一半径为a，其孔隙影响系数为g1；格栅二半径为c，其孔隙影响系数为g2，储液罐内装有深度为h的液体。储液罐底端固定，并在x方向承受x＝ae^-iωt的晃荡位移，其中，a为晃荡位移幅值，ω为晃荡频率，t为时间。计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g。

第一步，将整个流域划分为三个计算子域，第一个计算子域为格栅一形成的圆柱域ωⅰ，第二个子域为格栅一和格栅二之间的圆环柱域ωⅱ，第三个子域为格栅二与储液罐罐体之间的圆环柱域ωⅲ。

第二步，在线性势流理论的基础上，每个子域中的流体采用速度势函数φ(x,y,z,t)表示：

φ(x,y,z,t)＝φ(x,y,z)e^-iωt

上式中φ(x,y,z)满足三维拉普拉斯方程并可表达为：

其中，上式右端项中第一项代表传播模态对总速度势的贡献；第二项代表非传播模态对总速度势的贡献；其中，φ0(x,y)和φm(x,y)分别满足亥姆霍兹方程和修正的亥姆霍兹方程，k0和km(m＝1,2,…,∞)满足色散方程，x,y,z表示三维笛卡尔坐标。同时，设ωⅰ，ωⅱ和ωⅲ中的速度势分别用φⅰ,φⅱ和φⅲ表示，则各个子域之间还应满足耦合边界条件：在储液罐罐体上，应满足φⅲ,n＝iωacosθ；在格栅一处应满足φⅰ,n＝-φⅱ,n＝iωg1·(φⅰ-φⅱ)+iωacosθ；在格栅二处应满足φⅱ,n＝-φⅲ,n＝iωg2·(φⅱ-φⅲ)+iωacosθ，其中，i为虚数单位，φⅰ,n，φⅱ,n和φⅲ,n为速度势的法向导数。

第三步，应用比例边界有限元方法，得到关于φ0(x,y)和φm(x,y)的比例边界有限元控制方程，如下式所示：

其中，为关于φ0(x,y)和φm(x,y)的节点值，e0,e2为系数矩阵，ζ＝k0bξ，ξ为比例边界有限元坐标中的径向坐标。

第四步，解比例边界有限元控制方程得到φ0(x,y)和φm(x,y)的节点值，并由此得到各个子域的速度势函数，并根据叠加原理求得总场速度势。

第五步，待总场速度势求出来后，液体速度、波面高度和动态压力分别由以下表达式确定：η＝iωφ/g，p＝-ρφ,t；储液罐所受总力按下式计算：其中为结构单位长度上受到的力。

本发明与现有技术相比有以下优点：1)减晃效果好；2)开孔结构，减少耗材，质量轻，经济；3)对储液罐有效容积影响小。

附图说明

图1是储液罐结构示意图；

图2是储液罐俯视图。

图3是储液罐主视图。

图4是a＝0.3c＝0.6g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下结构所受总归一化波浪力对比图。

图5是a＝0.4c＝0.7g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下结构所受总归一化波浪力对比图。

图6是a＝0.5c＝0.7g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下结构所受总归一化波浪力对比图。

图7是a＝0.6c＝0.7g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下结构所受总归一化波浪力对比图。

图8是a＝0.3c＝0.6g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下点(b,0,0)处液面高度对比图。

图9是a＝0.4c＝0.7g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下点(b,0,0)处液面高度对比图。

图10是a＝0.5c＝0.7g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下点(b,0,0)处液面高度对比图。

图11是a＝0.6c＝0.7g1＝g2＝0.5时，不同格栅设置情况下点(b,0,0)处液面高度对比图。

图中：1罐壁；2罐顶；3格栅一；4格栅二；5注液口；6液体；7罐底。

具体实施方式

下面结合附图和模拟实例对本发明的应用原理作进一步描述。应当理解，此处所描述的模拟实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1-11，本发明公开了一种带双层圆筒形格栅的储液罐。一种带双层圆筒形格栅的储液罐，包括罐壁1、罐顶2、格栅一3、格栅二4、注液口5、罐底7。所述的罐壁1、格栅一3、格栅二4均为圆筒形，三者在任意横截面同心。格栅一3、格栅二4均为开孔结构。格栅一3、格栅二4与灌顶2和罐底7之间通过焊接相连；注液口5在罐壁1的下部。储液罐内装有液体6。

本发明中，相关计算遵从线性势流理论。

对于无旋无粘的理想流体，可用速度势函数φ(x,y,z,t)表示：φ(x,y,z,t)＝φ(x,y,z)e^-iωt；根据相关边界条件，上式中的φ(x,y,z)可表达为：上式右端项中第一项代表传播模态对总速度势的贡献，第二项代表非传播模态对总速度势的贡献，其中k0和km(1,2,…,∞)为满足色散方程。

应用比例边界有限元方法，待总场速度势求出来后，速度、波面高度和动态压力可分别由以下表达式确定：η＝iωφ/g，p＝-ρφ,t；系统所受总力可按下式计算：

为说明系统的水动力特性，将给出相关算例进行相关表述；在所涉及到的算例中，b＝1，h＝2。图中，k皆代表波数k0，η为液面高度(以z＝0为基准)，|fx|为归一化波浪力，归一化系数为：ρagk0tanh(k0h)·πb²h。

参照附图4，取a＝0.3，c＝0.6，g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时结构所受总归一化波浪力峰值大小关系为：只有外层格栅时最大，只有内层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，波浪力峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图5，取a＝0.4c＝0.7g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时结构所受总归一化波浪力峰值大小关系为：只有外层格栅时最大，只有内层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，波浪力峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图6，取a＝0.5c＝0.7g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时结构所受总归一化波浪力峰值大小关系为：只有外层格栅时最大，只有内层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，波浪力峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图7，取a＝0.6c＝0.7g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时结构所受总归一化波浪力峰值大小关系为：只有外层格栅时最大，只有内层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，波浪力峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图8，取a＝0.3，c＝0.6，g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时点(b,0,0)处液面高度峰值大小关系为：只有内层格栅时最大，只有外层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，液面高度峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图9，取a＝0.4c＝0.7g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时点(b,0,0)处液面高度峰值大小关系为：只有内层或者只有外层格栅均较大，在既有内层又有外层格栅时最小，液面高度峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图10，取a＝0.5c＝0.7g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时点(b,0,0)处液面高度峰值大小关系为：只有外层格栅时最大，只有内层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，液面高度峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。

参照附图11，取a＝0.3，c＝0.6，g1＝g2＝0.5时，可以发现不同格栅设置情况下，达到共振时点(b,0,0)处液面高度峰值大小关系为：只有外层格栅时最大，只有内层格栅时次之，在既有内层又有外层格栅时最小，液面高度峰值越小减晃效果越好，所以带双层圆筒形格栅储液罐减晃效果更好，结构更稳定。