三維薄膜型FLNG儲艙晃蕩載荷的數值仿真

朱小龍等

摘要： 針對浮式液化天然氣（Floating Liquefied Natural Gas，FLNG）船大型儲艙內的液體晃蕩問題，分別以薄膜型儲艙的1∶20模型及原型為研究對象，采用CFD仿真方法分析百年一遇生存海況下液艙內晃蕩載荷的基本規律和危險工況.結果表明：在真實海況下，現有FLNG儲艙設計中的晃蕩沖擊載荷主要來源于船體縱向運動，可能出現的最大沖擊載荷約為0.4 MPa，主要發生在縱艙壁與橫向隔水艙的拐角位置，危險載液率為20%～30%及90%.

關鍵詞： 浮式液化天然氣船； 儲艙； 晃蕩； 危險載液率； CFD

中圖分類號： TE88；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue of liquid sloshing in the large tank of Floating Liquefied Natural Gas（FLNG） ship， the numerical models for 1∶20 model and prototype of a membrane tank are taken as the research objects， and the CFD simulation method is used to analyze the sloshing load and dangerous conditions in liquid tank under the survival sea condition in ahundredyear return period. The results indicate that， the impact load of sloshing in the current FLNG tank design is ascribed to the longitudinal motion of ship body， the possible maximum impact load is 0.4 MPa， the maximum impact load mainly occurs on the corners of the longitudinal wall and the horizontal bulkhead， and the risky filling rate is 20%～30% and 90%.

Key words： floating liquefied natural gas ship； tank； sloshing； risky filling rate； CFD

引言

隨著海洋油氣資源開發的快速發展，浮式液化天然氣船（Floating Liquefied Natural Gas， FLNG）成為該領域內最前沿的設計研究.與液化氣運輸船不同，FLNG船在指定海域內長期定點作業，且其儲艙內部分裝載的情況時有發生，因此晃蕩載荷成為FLNG船儲艙設計的關鍵問題之一.由于晃蕩問題的非線性和隨機性，理論方法對晃蕩載荷的研究能力有限.對于三維不規則激勵下艙內液體晃蕩載荷的研究，目前主要通過室內小比例模型試驗與數值計算相結合的方法，并利用相似律評估原型液艙的晃蕩載荷.CFD仿真技術是室內模型試驗的有效輔助手段，廣泛應用于晃蕩問題研究[15]，對于新型儲艙設計尤為重要.本文采用FLUENT，基于有限體積法（液面追蹤采用VOF法），結合1∶20液艙模型的晃蕩試驗，對原型液艙在真實海況激勵下的晃蕩載荷進行評估和預測.

1數值方法

2數值方法驗證算例

為驗證數值方法的有效性，分別采用CFD方法和室內模型試驗方法對1∶20三維液艙模型簡諧激勵下的晃蕩載荷進行對比分析，兩者的液艙尺寸、激勵方式和監測位置均保持一致.

2.1液艙模型

試驗所用液艙模型材料為有機玻璃，主要集中于晃蕩載荷的基本規律研究，不考慮水彈性力學，因此壁厚應足夠大以避免艙壁變形引起流場變化.模型內部構型和關鍵尺寸參數見圖2和表2.

2.3結果對比

2.3.1自由液面變化規律對比

自由液面的變化規律是流體流場運動的重要特征之一.流體的自由液面不同，整個流場以及流場相關的各物理量也不同.因此，通過比較試驗與數值模擬在同一相位的自由液面，對數值計算的正確性進行初步檢驗.由于試驗采用的工況接近共振，因此在晃蕩達到穩態后沖擊現象比較有規律，兩者同一相位的自由液面對比見圖3，可知，數值模擬能較好地模擬晃蕩沖擊的自由液面變化，但模擬碎波和濺射現象的能力有待提高.

2.3.2載荷對比

試驗和數值在自由液面位置0.2h處壓力監測點得到的壓力時程曲線見圖4.（a）相位1數值模擬（b）相位1試驗（c）相位2數值模擬（d）相位2試驗圖 3自由液面對比

由圖8可知，液深在0.3h以下時，晃蕩載荷主要為動壓力；液深在0.4h以上時主要為靜壓；在0.2h～0.3h液深時的晃蕩問題最為嚴重，應重點考慮；0.9h液深附近由于自由液面較高，容易出現沖頂，在液艙設計時也應進行考慮.

4結論及今后工作

針對FLNG船三維薄膜型液艙的晃蕩問題，利用FLUENT進行模型和原型液艙、簡諧激勵和真實激勵的數值仿真，結論如下：

（1）在真實海況下，現有FLNG船液艙中的晃蕩問題主要由船體縱向運動引起，船體橫向運動的影響相對較小.

（2）液艙內縱向晃蕩問題嚴重，應適當調整液艙長度.

（3）最大晃蕩載荷約為0.4 MPa，主要出現在橫縱艙壁的拐角部位.

（4）載液率為20%～30%和90%時晃蕩問題嚴重，在液艙設計中應重點關注.

本文所做的工作還不夠全面，下一步需對液艙尺寸參數與晃蕩載荷關系開展研究，從而從晃蕩載荷的角度對液艙設計提出有效建議.參考文獻：

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