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文章导读
LNG泵塔作为运输船的核心动力设备，其长期处于“内走液、外泡液”的液-固耦合环境中：内部持续高压输运LNG，外部液位随工况波动。不同的“内压外浮”耦合作用导致结构刚度、质量分布与阻尼特性显著变化，引发固有频率漂移、模态重构，并可能诱发共振疲劳或流致失稳。精确预测泵塔在真实液态包围条件下的声学模态演化规律，已成为水力-结构-振动多学科交叉领域的前沿关键难题。
面对这一挑战，江苏大学能源与动力工程学院卢永刚副教授与清华大学能源与动力工程系王正伟教授等组成研究团队，以某型LNG泵塔为对象，构建了“结构-内流-外流”一体化的有限元-声学耦合模型，系统研究了干模态、内充液、外全浸没以及外部液位由0%至100%连续变化过程中泵塔的振动模态演化规律。研究结果表明：内充液工况下泵塔前三阶固有频率分别下降17.12%、16.80%和19.50%，外全浸没工况进一步降低15.60%、15.10%和5.30%。随外部液位升高，前三阶频率依次下降15.5%、15.1%和5.5%，并于50%–75%液位区间出现显著陡降。振型整体保持一致，高阶模态呈现能量上移与峰值重分布现象。实验与数值结果误差小于5%，验证了模型可靠性。该研究为空-水耦合塔类结构的共振安全设计和健康监测提供了定量依据与关键技术路径。
研究过程与结果
本研究针对泵塔在干模态、内充液及外部液位变化等多工况下的动力学响应问题，建立了“结构-内流-外流”一体化的有限元-声学耦合模型。首先，基于ANSYS Workbench平台构建泵塔结构有限元模型，并通过Modal模块进行干模态分析。随后，采用Modal Acoustics模块，分别定义内部流体域与外部可变液位储液域，模拟不同外部浸没深度条件下的湿模态特性。流体对结构产生的附加质量效应与阻尼效应通过ANSYS-CFX求解器进行实时耦合计算。在实验验证方面，搭建了11通道同步振动测试系统，对比分析了模态频率与振型结果，仿真与实验误差小于5%，表明所建模型具有较高的可靠性。
图1. 一阶模态的比较。
图2. 二阶模态的比较。
内部充液附加质量效应对频率的“急降”效应
当塔内管道由空管转为满液状态时，有限元-声学耦合计算结果表明，系统前三阶固有频率分别下降17.12%、16.80%和19.50%。该降幅显著大于纯外部浸没工况，表明内部流体附加质量效应起主导作用。同时，模态振型在整体形态上保持一致，但最大位移幅值衰减约20%，反映出内部流体对结构刚度具有显著的“软化”效应，而并未引起显著的振型重构。该结论为运行过程中流致共振的规避提供了重要的频率阈值依据。
图3. 三种情况下的一阶模态形状云图。
图4. 三种情况下的二阶模态形状云图。
图5. 三种条件下的三阶模态形状云图。
外部全浸没工况的“次级降频”
在内部满流条件下，将塔体完全浸没于外部储液时，系统前三阶固有频率进一步下降15.60%、15.10%和5.30%。与内部流体相比，外部液体所引起的附加质量效应相对较弱，并随模态阶次升高呈递减趋势。振型云图分析表明，结构变形区域由局部集中分布趋于整体均匀化，反映出外部流体在引入附加质量的同时，亦提供了分布式的阻尼效应，有效抑制了高阶模态下的局部应力集中。该现象为不同外部液位工况下泵塔结构的疲劳性能评估提供了定量依据。
图6. 在三个条件下的前三个模态频率。
外浸没液位变化下的“梯度降频”规律
通过对不同外浸没液位工况的湿模态分析发现，塔体前三阶固有频率随外部液位升高呈单调递减趋势，其中在50%–75%液位区间内出现频率“陡降段”，第一阶频率于此区间下降约7%，约占其总降幅的50%。在振型方面，低阶模态整体形态保持一致，但局部最大位移随液位升高持续衰减；高阶模态则呈现振动峰值上移及能量重分布现象，表明液位动态变化可能引发结构振动响应特性的显著改变。该结果提示，在结构设计阶段需重点关注变液位条件下关键接口处的潜在振动放大风险。
图7. 不同液位下的一阶模态形状云图。子图 (A-E) 分别对应0%、25%、50%、75%和100%的液位。
图8. 三液面的十一阶模态振型。
研究总结
本研究基于流固耦合计算与实验验证，系统研究了泵塔结构在不同液载条件下的振动模态演化特性。主要结论如下：① 内部流体所产生的附加质量与阻尼效应显著降低系统低阶固有频率，其影响远超外部液体作用，导致湿模态频率较干模态显著下降；② 随外部液位升高，结构固有频率呈单调递减特性，并于50%–75%区间出现急剧下降，低阶模态对此表现出更高敏感性；③ 液位变化进一步诱发振型重构与振动能量重分布，高阶模态对液位变化的频响敏感性逐渐减弱。研究成果为LNG泵塔动力学设计与运行安全评估提供了定量分析依据。
研究展望
(1) 发展多场耦合高性能数值技术，融合实际水力环境与精细流-固-声耦合机理，建立高精度声振性能预测模型；
(2) 开展液位动态激励与结构振动响应关联机制研究，构建基于数字孪生的振动监测与形变预测系统，提升水利装备状态感知与无损诊断能力。智能运维提供支撑。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3370858
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/water
Water 期刊介绍
主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France
期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。
2024 Impact Factor：3.0
2024 CiteScore：6.0
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Acceptance to Publication：2.6 Days
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