LNG独立C型舱晃荡数值仿真与试验研究

发布时间：2020-10-01 17:54

　　近些年来,LNG作为一种清洁能源在世界范围内受到了广泛关注,在许多国家的能源供应比例中大幅增加。在航运业,随着国际海事组织Tier III排放标准的生效,LNG也成为了船用首选的替代燃料。LNG消耗量的不断增大,推动了 LNG开采、储运的发展,相继出现了 LNG运输船、燃料罐、浮式LNG储存再气化装置和加注船。但是LNG在储存和运输中的蒸发消耗、加注以及燃料使用导致的LNG充装量减少,会使液舱出现非满载工况,从而导致晃荡问题。当液舱与外激励发生共振时,LNG会剧烈冲击舱壁结构,产生较大的外力矩,且加快了舱内LNG的蒸发速率,给液舱结构及货物维护系统带来巨大威胁。因此,晃荡现象的模拟、晃荡荷载的预报,以及抑制晃荡措施的研究成为了 LNG液舱设计的关键技术。本文针对LNG储运中常用的独立C型舱,设计并建立了晃荡模型试验系统,通过液体自由振荡试验和扫频试验,采用提取有义值的统计方法,得到了共振频率与理论固有频率的偏差会随着液位增加而减小的规律。通过晃荡特性与载荷模型试验,研究了液舱内液体受纵摇激励时的晃荡波形特征,给出了自由液面在舱顶影响下的波形分类,以及晃荡荷载频域、时域与空间分布特性。利用有限体积的离散方式结合VOF自由液面捕捉技术,对三维粘性湍流的液体晃荡现象进行了数值模拟,建立了晃荡数值模拟平台,利用模型试验验证了平台的精度。针对晃荡荷载快速评估的要求,基于模型试验验证,给出了晃荡荷载快速计算技术,结合实船晃荡荷载载液工况区间、激励频率区间以及激励幅值的选取,提出实船晃荡荷载快速计算方法,从而确定了实船危险晃荡工况,给出了液舱内晃荡荷载的分布。通过1000m3加注船液舱晃荡工况计算实例,验证了该计算方法的可行性。根据C型舱的几何结构,设计了两种常用的制荡装置:环形制荡板与多孔型制荡舱壁。通过设置制荡装置的晃荡模型试验系统,进一步验证了晃荡数值模拟平台的适用性。采用正交分析方法,结合数值模拟平台,对环形制荡板结构参数进行了敏感性分析,得出显著影响制荡效率的因素,给出了达到最佳制荡效果的各因素设计方案,以及制荡环高度临界值,并对因素的晃荡抑制机理进行了研究;通过对比无制荡装置的模型试验,研究了多孔型制荡舱壁的制荡特性,基于晃荡数值模拟平台,分析了不同制荡孔径制荡舱壁的晃荡抑制效率,得到制荡孔径对液舱半载时的抑制效果具有明显的影响;对比了两种制荡装置的阻荡效果,得出了两种制荡装置在不同液位时制荡效率的变化规律。综上所述,本文针对LNG独立C型舱和制荡装置的设计关键技术,基于数值计算和模型试验进行了晃荡特性和晃荡抑制机理研究,提出了实船晃荡荷载快速计算方法和制荡装置的设计方法,实现了 C型货舱和储罐的晃荡荷载直接计算,为制荡装置的合理设计提供了参考和指导,也为相关规范的修订提供了技术支持。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.133.3
【部分图文】：

现场试验,布置方式,压力传感器,实船试验

虽然数值计算与理论分析手段均可以对晃荡问题进行一定的计算研，还不足以对液舱晃荡这种具有强非线性、流体运动剧烈、波浪破碎严重的流动形态全程有效的数值模拟，因此物理试验研宄仍然是计算方法验证的有效手段［９３’９４］，理荡过程中物理现象、机理的必要措施［９５］以及相关规范的参考［％］。针对于液舱晃荡问物理实验研宄，按照研宄液舱贴近实际液舱的比例，主要分为以下三种：实船试验尺度液舱试验，模型试验。逡逑（１）实船试验逡逑对于晃荡研究的最直接的办法是实船试验，但因其试验风险大、成本高、实施困及影响试验因素过多等原因，目前还不多见。完整的大型晃荡试验实船研究是由挪级社（ＤｅｔＮｏｒｓｋｅ邋Ｖｅｒｉｔａｓ，ＤＮＶ）、劳氏船级社（Ｌｌｏｙｄ’ｓ邋Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，ＬＲ）与邋ＧＴＴ邋等一起合作开展的一次工业联合项目［９７］，其研宄对象为一艘服役于２００８年秋１４８００ｍＮ０９６型薄膜型液化天然气运输船。试验的主要目的是获取营运中的船舶全尺寸液晃荡冲击数据，用以验证目前的模型试验的相似率问题，以及评估液货维护系统的，现场试验所使用的压力传感器以及其布置情况如图Ｕ所示。但由于数据分析难大，目前该试验还处于未完结状态［９８］。逡逑—、

全尺度,液舱,舱壁,波浪

逡逑末端设置一块具有Ｎ０９６型平板式舱壁（如图１．２ａ所示）与Ｍａｒｋｌｌｌ型褶皱式舱壁（如逡逑图１．２ｂ所示），使波浪在挡板处破碎，模拟波浪对舱壁的抨击过程。项目的研宄目标在逡逑于探宄抨击过程中发生的物理现象和在抨击荷载作用下真实舱壁的结构响应［９９，１（５（）］。逡逑．．．逡逑（ａ）

半球形,舱壁,波浪,平板式

【参考文献】