FLNG系统储舱设计中的晃荡与砰击荷载研究

发布时间：2017-10-11 18:41

  本文关键词：FLNG系统储舱设计中的晃荡与砰击荷载研究

  更多相关文章： 晃荡与砰击载荷 大尺度液舱 晃荡模型实验 液舱设计 阻晃隔板

【摘要】：适用于深、远海油气田,集开采、液化、储存、装卸、运输和气化天然气的新型开发模式,受到工业界和学术界的广泛关注。随着我国南海油气开发向超深水发展,新型开发模式有着广泛的应用前景。海上浮式液化天然气终端(Floating Liquidfied Natural Gas, FLNG)是新型海上天然气开发模式中的关键装备之一,集开采、液化、储存与装卸天然气功能于一体。目前尚未有建成的FLNG,只有少数国外公司具备设计和制造的能力,我国需要发展FLNG的设计和建造技术。本文系统地开展了超大型船载储舱内晃荡砰击荷载、液舱设计及抑制砰击载荷的研究。本文所开展的主要研究工作及结论归纳如下：1 FLNG大尺度储舱内流体砰击荷载室内实验方法研究室内大尺度晃荡模型实验是最能真实反映砰击物理过程的研究方法。由于液体和气体均具有可压缩性,导致砰击压力瞬时增大,因此,实验研究中如何准确地测量砰击载荷是关键问题。本文建立了FLNG大尺度储舱晃荡模型实验平台,设计了不同形状的大尺度液舱模型(矩形舱和GTT舱)；给出了大尺度储舱流体晃荡砰击压力测量方法,并验证了砰击荷载测量方法的精确性和可靠性；根据砰击载荷在时域和空间域的分布特性,设计了压力监测阵列式模块测量砰击载荷。上述研究为大尺度储舱内流体砰击荷载模型实验中压力传感器的选择和测点布局提供参考。2 GTT储舱内模型尺寸对砰击载荷影响的实验研究目前国内外尚没有针对模型的尺寸对流场砰击的物理现象和砰击特征物理参数的系统研究。此外,室内模型实验中的一个挑战是如何将模型实验结果合理地换算到原型尺度。许多学者认为晃荡室内模型实验中采用弗劳德相似将模型砰击载荷结果返算回原型尺度,结果偏保守。但是尚没有实验证明这个观点。本文开展了GTT储舱内尺寸效应的实验研究。讨论模型尺寸对砰击的物理现象和砰击荷载的影响,进而验证了流体砰击荷载实验中,采用弗劳德相似准则将模型砰击载荷结果换算到原型尺度,结果是偏于保守的。3二维矩形液舱内的晃荡砰击荷载实验研究针对二维矩形液舱内的晃荡砰击荷载开展了系统的实验研究。在规则横摇激励下,分析了外激激励参数对砰击荷载的影响,并提出砰击荷载具有饱和性。基于长期不规则激励下的砰击荷载实验,讨论了砰击荷载的特性。根据砰击荷载发生的概率,确定对应的砰击压力值和其对应的砰击特征时间,量化砰击荷载的三角脉冲模型。该载荷模型可以为大型船载天然气液舱的结构开展有限元分析时,提供砰击荷载参考依据。4 GTT NO96型液舱的设计研究根据GTT NO96型液舱的概念设计原则,基于前两章的研究工作,从降低晃荡荷载的角度,采用数值仿真方法对单个液舱的形状和尺寸开展设计研究。基于最佳拐角类型和最佳拐角位置,提出一种新的液舱设计方案。该液舱不仅满足降低晃荡荷载的要求,而且满足舱容的要求。为了尽可能避免液舱内流体的晃荡砰击,应保证自由液面的最低阶固有频率能够远离船体运动的频率。基于这个原则,本文提出了单舱主尺度的合理尺寸范围和最佳尺寸。5高固体率隔板的阻晃机理研究在浅水大振幅横荡工况下,开展了晃荡砰击抑制问题的实验研究。通过观察液舱内的全局自由液面的变化,发现了一种新的波系。其发生条件是小激励周期比率和大振幅。该波系扩展现有的浅水条件下储舱内自由液面的波浪形态,为液舱内阻晃隔板设计提供了新的受力形式。此外,通过实验方法揭示了高固体率阻晃隔板可有效地降低自由液面波高并抑制砰击荷载的内在机理,并提出阻晃隔板的最优固体率约为0.6-0.7。该最优固体率在阻晃隔板设计中具有参考价值。本文研究结果和结论对于更全面地认识流体砰击及其抑制的内在机理,更好地为超大型FLNG储舱和储舱内阻晃隔板的设计等方面具有指导意义。
【关键词】：晃荡与砰击载荷 大尺度液舱 晃荡模型实验 液舱设计 阻晃隔板
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.38;U663.85
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• CONTENTS12-16
• 图目录16-21
• 表目录21-23
• 主要符号表23-24
• 1 绪论24-45
• 1.1 研究背景和意义24-27
• 1.1.1 研究背景24-25
• 1.1.2 研究意义25-27
• 1.2 GTT N096储舱设计的关键力学问题27-28
• 1.3 储舱内流体晃荡砰击的理论和数值研究概述28-33
• 1.3.1 理论研究概述30-31
• 1.3.2 数值研究概述31-33
• 1.4 储舱内流体晃荡砰击的实验研究概述33-42
• 1.4.1 现场实验研究概述33-35
• 1.4.2 原型实验研究概述35-36
• 1.4.3 室内模型实验研究概述36-42
• 1.5 晃荡砰击的抑制42-43
• 1.6 本文的研究工作和论文结构43-45
• 2 大尺度储舱内流体砰击荷载室内实验方法研究45-81
• 2.1 引言45-46
• 2.2 大尺度储舱半物理子结构模型实验方法46-47
• 2.3 大尺度储舱流体晃荡砰击荷载实验系统47-58
• 2.3.1 储舱模型48-50
• 2.3.2 动平台50-53
• 2.3.3 实验工况53-57
• 2.3.4 采集系统57-58
• 2.3.5 实验步骤58
• 2.4 大尺度储舱流体晃荡砰击压力测量方法研究58-76
• 2.4.1 压力传感器的静态响应58-61
• 2.4.2 压力传感器的动态响应61-74
• 2.4.3 不确定性分析74-76
• 2.5 压力传感器的布置方式76-77
• 2.6 数据分析方法77-80
• 2.7 小结80-81
• 3 砰击荷载室内模型实验尺寸效应研究81-104
• 3.1 引言81
• 3.2 模型实验的相似性81-85
• 3.2.1 相似准则81-82
• 3.2.2 量纲分析82-84
• 3.2.3 流体力学问题中的相似准数84-85
• 3.3 砰击荷载模型实验中的尺寸效应实验85-89
• 3.3.1 实验模型85-87
• 3.3.2 监测设备87-88
• 3.3.3 实验工况88-89
• 3.4 单次砰击的实验结果89-98
• 3.4.1 运动的流场89-92
• 3.4.2 砰击压力92-98
• 3.5 长期简谐砰击的实验结果98-103
• 3.5.1 砰击率的对比98-99
• 3.5.2 砰击特征时间的对比99-100
• 3.5.3 砰击压力峰值的统计性对比100-103
• 3.6 小结103-104
• 4 二维矩形液舱内流体砰击荷载实验结果104-123
• 4.1 引言104
• 4.2 外激激励参数对砰击荷载的影响104-112
• 4.2.1 实验设计104-107
• 4.2.2 激励频率对砰击荷载的影响107-109
• 4.2.3 激励振幅对自由液面的影响109-110
• 4.2.4 激励频率和激励振幅对砰击荷载的影响110-112
• 4.3 砰击荷载的统计特性112-118
• 4.3.1 实验设计112-114
• 4.3.2 砰击率114-115
• 4.3.3 砰击特征时间与砰击压力的关系115-116
• 4.3.4 砰击压力峰值的统计特性116-118
• 4.4 基于实验数据的砰击荷载简化模型118-121
• 4.4.1 砰击荷载的偏斜度119-120
• 4.4.2 晃荡砰击荷载的简化三角脉冲模型120-121
• 4.5 小结121-123
• 5 GTT N096型液舱的设计研究123-145
• 5.1 引言123-124
• 5.2 流体数值仿真方法的建立和验证124-128
• 5.2.1 流体数值仿真方法的建立124-125
• 5.2.2 流体数值仿真方法的验证125-127
• 5.2.3 验证结果127-128
• 5.3 基于晃荡荷载的N096储舱形状初步设计128-140
• 5.3.1 拐角类型对晃荡荷载的影响130-134
• 5.3.2 拐角位置对晃荡荷载的影响134-136
• 5.3.3 新液舱的形状136-137
• 5.3.4 新液舱形状的评价137-140
• 5.4 基于晃荡荷载的N096储舱主尺寸初步设计140-144
• 5.4.1 液舱长度对晃荡荷载的影响141-142
• 5.4.2 液舱宽度对晃荡荷载的影响142-143
• 5.4.3 液舱高度对晃荡荷载的影响143-144
• 5.5 小结144-145
• 6 高固体率隔板的阻晃机理研究145-170
• 6.1 引言145-146
• 6.2 阻晃隔板模型实验设计146-151
• 6.2.1 实验系统146-149
• 6.2.2 阻晃隔板149-150
• 6.2.3 实验步骤150-151
• 6.2.4 实验数据后处理方法151
• 6.3 实验结果和讨论151-169
• 6.3.1 固体率对流场运动的影响151-159
• 6.3.2 固体率对自由液面波高的影响159-161
• 6.3.3 固体率对晃荡砰击压力的影响161-165
• 6.3.4 固体率对砰击荷载空间分布的影响165-169
• 6.4 小结169-170
• 7 结论与展望170-173
• 7.1 结论170-171
• 7.2 创新点摘要171-172
• 7.3 展望172-173
• 参考文献173-184
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果184-186
• 致谢186-189
• 作者简介189

，

本文编号：1014096