韓旭亮 謝 彬 朱小松 王俊榮

(1.中海油研究總院 北京 100028；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)研究現(xiàn)狀及展望*

韓旭亮1,2謝 彬1朱小松1王俊榮1

(1.中海油研究總院 北京 100028；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

對(duì)FLNG應(yīng)用背景進(jìn)行了介紹，指出了液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)是FLNG面臨的關(guān)鍵問題之一，并分別從圍護(hù)系統(tǒng)選型、模型試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)方面對(duì)液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，探討了試驗(yàn)技術(shù)研究的特點(diǎn)和數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍，并對(duì)大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)下一步的研究方向提出了建議。

FLNG；液艙晃蕩；耦合運(yùn)動(dòng)；圍護(hù)系統(tǒng)；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置FLNG是一種用于海上天然氣田開發(fā)的浮式生產(chǎn)裝置，通過系泊系統(tǒng)定位于海上，具有開采、處理、液化、儲(chǔ)存和裝卸天然氣的功能，并通過與液化天然氣船搭配使用，實(shí)現(xiàn)海上天然氣田的開采和運(yùn)輸。利用FLNG進(jìn)行深水氣田開發(fā)結(jié)束了采用管道運(yùn)輸上岸的單一模式，避免了深水鋪管的難題，既節(jié)約了成本，也為邊際氣田開發(fā)提供了靈活配置、經(jīng)濟(jì)有效的方案。隨著天然氣供應(yīng)緊張和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)逐步成熟，F(xiàn)LNG概念的工程化已被眾多能源公司所接受，但是目前世界上尚未有FLNG正式投產(chǎn)使用。2011年5月荷蘭Shell公司與三星重工及Technip公司簽訂建造全球第一艘FLNG合同，該P(yáng)relude FLNG預(yù)計(jì)2017年投產(chǎn)，用于澳大利亞西北天然氣田。馬來西亞國(guó)家石油公司分別與大宇造船海洋和三星重工簽訂建造PFLNG1和PFLNG2合同，計(jì)劃2016年底和2018年分別用于Kanowit和Rotan氣田作業(yè)。國(guó)內(nèi)南通惠生重工也在為國(guó)外Exmar公司建造年產(chǎn)50萬t的駁船型FLNG。中海油研究總院與多家科研院所及高校合作，從“十一五”期間開始以南海某深水氣田為目標(biāo)，針對(duì)FLNG裝置開展系統(tǒng)研究，并取得階段性研究成果。同時(shí)，我國(guó)工業(yè)和信息化部在2015年10月30日正式發(fā)布的《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)線路藍(lán)圖中已明確提出將FLNG等新型海洋油氣資源開發(fā)裝備列為重點(diǎn)產(chǎn)品。

雖然FLNG船仍處于設(shè)計(jì)、建造階段，但是潛在風(fēng)險(xiǎn)值得分析，須借鑒LNG運(yùn)輸船的典型海損事故對(duì)其特有的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，即液貨系統(tǒng)故障分析。液艙內(nèi)低溫液體在船體運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)的沖擊作用是導(dǎo)致液體泄漏的重要原因，比較典型的LNG運(yùn)輸船事故有：由于低溫液體劇烈沖擊液艙，Polar Alaska、Arctic Tokyo和Catalunya Spirit均在液艙的內(nèi)薄膜或角點(diǎn)多處發(fā)生變形或受損，EI Paso公司12.9 萬m3的LNG運(yùn)輸船在外界波浪運(yùn)動(dòng)頻率和艙內(nèi)低溫液體晃蕩頻率接近時(shí)加重了艙內(nèi)低溫液體晃動(dòng)，造成了艙壁破損液體泄漏。大型FLNG船不能自航，長(zhǎng)期停泊外海，無法避免惡劣海況作用，連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)內(nèi)部液艙會(huì)經(jīng)歷各種裝載情況，無法按照LNG運(yùn)輸船的指導(dǎo)規(guī)定使艙內(nèi)液體低于10%或者高于70%，因此，F(xiàn)LNG船的液艙會(huì)比LNG運(yùn)輸船更易受到晃蕩的影響。FLNG船體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)液艙內(nèi)低溫液體產(chǎn)生晃蕩，同時(shí)液艙內(nèi)低溫液體的晃蕩產(chǎn)生的力矩會(huì)改變FLNG船體的運(yùn)動(dòng)性能，兩者相互作用存在耦合關(guān)系。不同裝載工況的艙內(nèi)低溫液體晃蕩可能與FLNG船體運(yùn)動(dòng)發(fā)生共振響應(yīng)，從而引起船體劇烈運(yùn)動(dòng)并造成較大傷害，降低了船體穩(wěn)定性，進(jìn)而引起上部甲板液化裝置的失效，極端情況下將引起船體事故。由此可見，液艙晃蕩和船體水動(dòng)力耦合運(yùn)動(dòng)的整體水動(dòng)力特性是保證FLNG裝置安全運(yùn)行的重要問題。

本文圍繞大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)這一具體并迫切需要解決的問題，借助于試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)問題進(jìn)行總結(jié)分析，以期為我國(guó)FLNG船的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 圍護(hù)系統(tǒng)選型

圍護(hù)系統(tǒng)的主要作用是將超低溫的LNG與船體結(jié)構(gòu)隔離并實(shí)現(xiàn)保冷存儲(chǔ)，通過絕熱材料保持所裝載的LNG處于液態(tài)，避免并保護(hù)船體結(jié)構(gòu)直接承受低溫貨物的影響。目前LNG圍護(hù)系統(tǒng)的主要型式為SPB棱柱型液艙、MOSS獨(dú)立球型液艙和GTT薄膜型液艙[1]。FLNG裝置的圍護(hù)系統(tǒng)除達(dá)到常規(guī)LNG運(yùn)輸船的要求外，還應(yīng)當(dāng)滿足的條件有：FLNG裝置需要平整、寬闊、大的甲板面積提供足夠的空間來布置生產(chǎn)模塊、管系、設(shè)備等，還要充分考慮每組模塊支墩的數(shù)量、支撐位置、船體變形量與結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等；貨艙裝載率不受限制的工況下能抵御惡劣海況下的液艙晃蕩沖擊載荷；可靠的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，可以有效降低停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；易于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)和維護(hù)。目前對(duì)于LNG產(chǎn)能大于100萬t/a的FLNG，滿足上述特點(diǎn)且技術(shù)成熟的圍護(hù)系統(tǒng)主要有GTT薄膜型液艙和SPB棱型液艙[2]。為了使艙內(nèi)裝載高度不受限制，并降低FLNG裝置圍護(hù)系統(tǒng)受到的液艙晃蕩沖擊載荷，GTT薄膜型液艙采用雙排艙設(shè)計(jì)。2種FLNG圍護(hù)系統(tǒng)的橫剖面如圖1所示。

從圖1可以看出，GTT薄膜型貨艙的縱向和橫向設(shè)有雙層隔離艙壁，圍護(hù)系統(tǒng)區(qū)域的船體強(qiáng)度較好，且中縱隔離艙壁可為上部模塊支墩提供較好的支撐；而SPB型貨艙中間無縱艙壁，橫向?yàn)閱螌?，圍護(hù)系統(tǒng)區(qū)域的船體強(qiáng)度偏弱，且上部模塊支墩跨距較大，自身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求較高。GTT薄膜型液艙受艙內(nèi)液體晃蕩影響比較嚴(yán)重，船體運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)劇烈晃蕩，從而在艙壁產(chǎn)生非常大的沖擊載荷，但雙排艙設(shè)計(jì)可以有效減弱液艙晃蕩沖擊載荷對(duì)圍護(hù)系統(tǒng)的影響；而SPB型圍護(hù)系統(tǒng)不存在晃蕩問題，不需限制載液率。GTT薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)面臨加熱系統(tǒng)的限制，而SPB型圍護(hù)系統(tǒng)過度依賴IHI，絕緣層的安裝存在風(fēng)險(xiǎn)。可見，GTT薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)和SPB型圍護(hù)系統(tǒng)都滿足FLNG裝置的要求并各有優(yōu)缺點(diǎn)(表1)。結(jié)合建造成本和國(guó)內(nèi)自主建造能力等方面綜合考慮，GTT薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，建議FLNG裝置采用GTT薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)。

圖1 FLNG圍護(hù)系統(tǒng)的橫剖面Fig.1 Transverse section of containment system for FLNG

表1 GTT薄膜型和SPB型貨物圍護(hù)系統(tǒng)對(duì)比Table 1 Comparison of containment system between GTT and SPB

2 模型試驗(yàn)技術(shù)研究

2.1 液艙晃蕩模型試驗(yàn)研究

由于晃蕩現(xiàn)象具有較強(qiáng)的非線性，如波浪破碎、波面翻轉(zhuǎn)和氣泡效應(yīng)等，而這些特殊的物理現(xiàn)象對(duì)晃蕩沖擊載荷研究又至關(guān)重要，但目前數(shù)值模擬技術(shù)水平有限。因此，借助模型試驗(yàn)可以真實(shí)復(fù)原液艙晃蕩復(fù)雜水動(dòng)力現(xiàn)象，并對(duì)晃蕩物理現(xiàn)象和艙內(nèi)沖擊載荷進(jìn)行深入研究。液艙晃蕩模型試驗(yàn)主要通過大噸位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來模擬船體運(yùn)動(dòng)。早期的模型試驗(yàn)主要集中于矩形或者球型單自由度規(guī)則激勵(lì)的晃蕩試驗(yàn)研究。隨著試驗(yàn)技術(shù)的不斷提高，在室內(nèi)利用六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬船體運(yùn)動(dòng)變成了現(xiàn)實(shí)。表2給出了目前國(guó)內(nèi)外擁有先進(jìn)的多自由度運(yùn)動(dòng)液艙晃蕩試驗(yàn)平臺(tái)的對(duì)比情況，利用這些平臺(tái)都可以精確實(shí)現(xiàn)規(guī)則和不規(guī)則的單自由度和多自由度耦合運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)。從2012年開始，多所研究機(jī)構(gòu)參與了一系列矩形標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)[3-4]，旨在對(duì)比分析相同運(yùn)動(dòng)激勵(lì)在不同運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下的復(fù)現(xiàn)情況，以及六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式和精度對(duì)晃蕩載荷的影響。

表2 多自由度運(yùn)動(dòng)液艙晃蕩試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)比Table 2 Comparison of multi DOF motion sloshing test platform

如何才能使液艙晃蕩模型試驗(yàn)和原型具有較好的相似性，是目前許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Bass等[5]通過模型試驗(yàn)分別討論了流體黏性、液體壓縮率、氣體壓縮率、氣穴效應(yīng)和表面張力等參數(shù)對(duì)載荷相似性的影響,結(jié)果表明影響相似處理的主要影響因素是氣體和液體壓縮率，而不是流體黏性和表面張力。Yung等[6]通過典型矩形艙晃蕩試驗(yàn)給出了沖擊載荷、生成時(shí)間、沖擊速度和加速度、力和力矩等模型和實(shí)物的相似準(zhǔn)則。Kimmoun等[7]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)壓力變換系數(shù)是λ0.5，而不是Yung等[6]認(rèn)為的λ。多次試驗(yàn)表明，液艙晃蕩模型試驗(yàn)除了受Froude系數(shù)主導(dǎo)外，還受到其他參數(shù)影響，諸如時(shí)間和空間對(duì)艙內(nèi)液體晃蕩壓力的影響、艙內(nèi)氣液密度比的影響以及艙內(nèi)氣液交互作用的影響等都會(huì)導(dǎo)致比例尺還原系數(shù)不夠明確，因此模型試驗(yàn)與全尺度試驗(yàn)結(jié)果間的差異還有待今后進(jìn)一步研究。

由于液艙晃蕩小尺度模型試驗(yàn)得到的晃蕩載荷存在縮尺比效應(yīng)，近年來也有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了全尺度原型試驗(yàn)。這類試驗(yàn)雖然尺度上與實(shí)際液艙相同，且能直觀地展現(xiàn)液艙內(nèi)晃蕩的劇烈程度和得到晃蕩產(chǎn)生的沖擊載荷，但是實(shí)船中液艙晃蕩是長(zhǎng)期時(shí)歷過程而不是單次的砰擊作用，因此全尺度原型試驗(yàn)對(duì)液艙運(yùn)動(dòng)及真實(shí)晃蕩過程還不能完全等效模擬，僅能模擬波浪對(duì)艙壁的單次砰擊過程并測(cè)量砰擊壓力。由Marin和GTT等單位聯(lián)合進(jìn)行了全尺度原型試驗(yàn)Sloshed[8]，如圖2所示。該試驗(yàn)詳細(xì)研究了晃蕩壓力、氣穴、波浪飛濺等特性，并對(duì)晃蕩載荷與彈性結(jié)構(gòu)的流固耦合問題也進(jìn)行了初步研究。通過這些試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)局部晃蕩壓強(qiáng)與液體拍擊壁面的形式有關(guān)，但是它們對(duì)墻體的載荷總體相當(dāng)。

圖2 液艙晃蕩全尺度原型試驗(yàn)[8]Fig.2 Full scale prototype test of liquid tank sloshing

2.2 液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究

與常規(guī)船舶不同，F(xiàn)LNG船帶有載液艙室，在模型試驗(yàn)中無法保證所有的相似準(zhǔn)則數(shù)都相同，通常保證Froude數(shù)相等。許多學(xué)者通過模型試驗(yàn)研究液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)問題，并對(duì)開發(fā)的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。Molin等[9]對(duì)帶有2個(gè)部分充液的矩形液艙的駁船在不規(guī)則波作用下的橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)(圖3)，重點(diǎn)研究了液艙大幅晃蕩運(yùn)動(dòng)和不同艙頂(平板和倒角)距艙內(nèi)液面高度的非線性影響，結(jié)果表明：隨著海況增加，液艙晃蕩非線性效應(yīng)顯著；橫搖運(yùn)動(dòng)第2個(gè)峰值逐漸減小至變平緩，并向低頻方向移動(dòng)，但是艙頂和艙內(nèi)液面之間的氣穴并不因?yàn)榕擁斪矒魯?shù)量和強(qiáng)度而有所不同，這說明第2個(gè)峰值的降低可能與內(nèi)部耗散關(guān)系不大，更主要是由于艙內(nèi)液面的非線性特性引起的。但是，這些結(jié)論是否適用于其他自由度、液艙形狀、浮體形狀還需進(jìn)一步研究。Nam等[10]進(jìn)行了雙液艙FLNG船耦合運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)，研究了不同裝載下液艙晃蕩對(duì)船體整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及艙內(nèi)流體壓強(qiáng)的影響(圖4)，發(fā)現(xiàn)液艙內(nèi)自由水面非線性對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大，且運(yùn)動(dòng)幅值和波浪幅值并非呈線性關(guān)系；而艙內(nèi)液體壓力與船型、液艙形狀、波浪頻率和幅值等有關(guān)。中海油研究總院和上海交通大學(xué)合作[11]進(jìn)行了多液艙FLNG船耦合運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)(圖5)，研究了固體和液體多種載況下液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)情況，結(jié)果表明液艙晃蕩對(duì)FLNG船的橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)影響嚴(yán)重，且低液位裝載比高液位裝載在相同外界激勵(lì)下更易引起較嚴(yán)重的晃蕩響應(yīng)。該試驗(yàn)也證實(shí)了液艙內(nèi)液面運(yùn)動(dòng)幅值和入射波幅呈非線性關(guān)系，并提出了在液艙內(nèi)安裝浪高儀測(cè)量艙內(nèi)液面變化的試驗(yàn)技術(shù)。

可見，液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)水池模型試驗(yàn)的振動(dòng)方式由單自由度逐漸趨向于多自由度聯(lián)合耦合激勵(lì)，集中研究其非線性問題，但多數(shù)研究對(duì)象為液艙晃蕩和剛性船體的耦合運(yùn)動(dòng)，忽略了液艙晃蕩對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)破壞形式等方面的影響。目前試驗(yàn)研究?jī)H局限于模型試驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)成本過高、不受尺度效應(yīng)影響的實(shí)船試驗(yàn)還未開展。

圖3 帶液艙駁船橫搖運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)[9]Fig.3 Model test for roll motion of liquid tank barge

圖4 雙液艙FLNG船耦合運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)[10]Fig.4 Mdoel test of coupling motion of FLNG with double tanks

圖5 多液艙FLNG船耦合運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)[11]Fig.5 Mdoel test of coupling motion of FLNG with multi-tanks

3 數(shù)值模擬技術(shù)研究

3.1 液艙晃蕩數(shù)值模擬研究

液艙晃蕩的數(shù)值模擬方法大體可分為勢(shì)流理論方法、CFD (Computational Fluid Dynamics)有網(wǎng)格方法和CFD無網(wǎng)格方法等3種，各方法優(yōu)缺點(diǎn)見表3。勢(shì)流理論方法包括基于勢(shì)流理論的線性解析方法[12]、非線性復(fù)合模態(tài)方法[13]、非線性邊界元方法[14]和非線性有限元方法[15]等，是在流域邊界上配置一組奇點(diǎn)，通過配置點(diǎn)上的邊界條件求解相應(yīng)奇點(diǎn)上的未知量封閉方程組，求出流域各點(diǎn)處的速度勢(shì)和速度。與其他方法相比，勢(shì)流理論方法的最大特點(diǎn)是計(jì)算速度快，求解精度高，但是難以處理流體黏性效應(yīng)，盡管引入了人工黏性阻尼[16]，仍無法模擬艙內(nèi)波面發(fā)生翻轉(zhuǎn)和破碎等強(qiáng)非線性現(xiàn)象的晃蕩問題。CFD有網(wǎng)格方法是基于求解不可壓縮Navier-Stokes方程的MAC (Marker-and-cell)[17]、ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)[18]、VOF (Vloume of Fluid)[19]和Level Set[20]方法等，基于歐拉網(wǎng)格將流場(chǎng)離散可以模擬液艙的劇烈晃蕩，但是生成網(wǎng)格困難且耗時(shí)，且液艙晃蕩的非線性現(xiàn)象模擬受網(wǎng)格影響較大，易因幾何大變形而失敗。CFD無網(wǎng)格方法包括無網(wǎng)格的SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)[21]、MLPG (Meshless Local Petrov-Galerkin)[22]和MPS (Moving Particle Semi-implicit)[23]方法等，與前2種方法相比，該方法不依賴網(wǎng)格，適合處理艙內(nèi)液面發(fā)生翻轉(zhuǎn)和破碎等大變形的強(qiáng)非線性問題，但是在計(jì)算效率、流場(chǎng)壓力預(yù)報(bào)精度[24]和未確定參數(shù)等方面尚需進(jìn)一步研究。可見，數(shù)值模擬技術(shù)可以較好模擬液艙晃蕩問題，但還不能完全模擬該現(xiàn)象，其精度還有待進(jìn)一步提高，需要耗費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間才能獲取較好的數(shù)值分析結(jié)果。

表3 液艙晃蕩數(shù)值模擬方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 3 Advantages and disadvantages comparison of numerical simulation methods for sloshing

3.2 液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬研究

起初有關(guān)液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的研究較多是基于頻域勢(shì)流理論進(jìn)行數(shù)值模擬[25-26]，頻域理論的前提條件是液艙晃蕩的波動(dòng)頻率與外界波浪的激勵(lì)頻率相同。但是研究發(fā)現(xiàn)，液艙晃蕩并非是外界單頻激勵(lì)引起的波動(dòng)，還包括液艙自身固有頻率的振蕩，所導(dǎo)致的船體耦合運(yùn)動(dòng)并不滿足頻域理論的單頻假設(shè)，很可能存在誤差[27]。雖然艙內(nèi)液體會(huì)發(fā)生劇烈晃蕩，但液艙穩(wěn)定后的運(yùn)動(dòng)仍將保持線性運(yùn)動(dòng)特征，其運(yùn)動(dòng)頻率與外界波浪的激勵(lì)頻率相同，液艙內(nèi)流體晃蕩所產(chǎn)生的高頻諧波作用力將被系統(tǒng)過濾掉。因此，頻域理論適用于液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析[28-29]。

外流場(chǎng)船體運(yùn)動(dòng)引發(fā)艙內(nèi)液體晃蕩，而艙內(nèi)液體晃蕩反過來也會(huì)影響船體水動(dòng)力，兩者相互作用嚴(yán)重影響整體水動(dòng)力性能。非線性液艙晃蕩的模擬已經(jīng)相當(dāng)耗時(shí)，再耦合非線性船體運(yùn)動(dòng)后必將大大增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，所以強(qiáng)非線性劇烈晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的時(shí)域數(shù)值模擬是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要選擇合適的非線性數(shù)值模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。近年來，許多學(xué)者從時(shí)域理論角度對(duì)液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)非線性問題進(jìn)行了不同數(shù)值模擬方法的研究。表4給出了當(dāng)前液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法的研究發(fā)展方向。

表4 液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法的研究方向Table 4 Research direction for numerical simulation of the liquid sloshing and hull coupling Motion

從表4可以看出，液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法的發(fā)展方向大致分為4類。第1類，基于勢(shì)流理論采用脈沖響應(yīng)函數(shù)(Impulse response function,IRF)的間接時(shí)域方法計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)，對(duì)于艙內(nèi)液體基于勢(shì)流理論采用非線性方法模擬艙內(nèi)液體未發(fā)生翻轉(zhuǎn)或破碎情況的晃蕩問題[30-32]，相比CFD方法，其計(jì)算效率較高，具有工程使用價(jià)值。第2類，基于勢(shì)流理論采用間接時(shí)域方法計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)，對(duì)于艙內(nèi)液體基于CFD采用Fluent[33-34]、OpenFOAM[35-36]或者SPH[37]方法模擬液艙非線性晃蕩。前2類中都涉及到IRF方法，即在頻域中計(jì)算船體本身的水動(dòng)力系數(shù)、穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力及平均漂移力，通過傅里葉變換將頻域水動(dòng)力系數(shù)轉(zhuǎn)為時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而在時(shí)域內(nèi)建立液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)方程。該方法涉及到較多人工參與和高頻計(jì)算不準(zhǔn)確問題，但其計(jì)算效率遠(yuǎn)高于直接時(shí)域方法，仍然為分析液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的實(shí)用方法。前2類都集中于研究液艙晃蕩的非線性問題，未考慮船體外流場(chǎng)非線性的影響。實(shí)際上，在外界激勵(lì)頻率接近液艙晃蕩固有頻率時(shí)，即使外界入射波高較小，也會(huì)由于共振導(dǎo)致液艙晃蕩和船體產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng)。第3類，基于勢(shì)流理論采用時(shí)域格林函數(shù)方法，考慮船體濕表面瞬時(shí)變化計(jì)算外流場(chǎng)船體運(yùn)動(dòng)，對(duì)于艙內(nèi)液體基于勢(shì)流理論采用非線性方法模擬晃蕩[38]。研究發(fā)現(xiàn)，液艙晃蕩非線性對(duì)耦合運(yùn)動(dòng)的影響最大，船體濕表面變化非線性影響次之，且非線性水動(dòng)力對(duì)耦合運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值有較大影響。第4類，在內(nèi)、外流場(chǎng)都是基于CFD方法模擬液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)[39]，但是計(jì)算代價(jià)較高，效率較低。

4 研究展望

由于液艙晃蕩和船體水動(dòng)力耦合運(yùn)動(dòng)的整體水動(dòng)力特性是保證FLNG正常安全生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵問題，因此，今后有必要對(duì)以下幾方面進(jìn)行深入研究，以期為研究FLNG液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力機(jī)理提供更可靠的依據(jù)。

1) 確定最佳的尺度效應(yīng)。通過對(duì)目前液艙晃蕩模型試驗(yàn)結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)，液艙晃蕩模型試驗(yàn)都會(huì)滿足Froude相似，但是比例尺還原系數(shù)不是很明確，還受到諸如時(shí)間和空間對(duì)艙內(nèi)晃蕩壓力的影響、氣液密度比的影響以及氣液交互作用的影響等，無法獲得實(shí)際液艙所受的載荷。因此，還需要尋找并開展遵循不同相似原則的模型試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，以確定最佳的尺度效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)和實(shí)尺度試驗(yàn)的最小差異化。

2) 建立滿足真實(shí)條件的試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)復(fù)原展現(xiàn)艙內(nèi)液體晃蕩復(fù)雜水動(dòng)力物理現(xiàn)象，得到艙內(nèi)液體晃蕩產(chǎn)生的沖擊載荷。但是一般的試驗(yàn)很難滿足真實(shí)的FLNG液艙晃蕩的要求，只是在尺度上與實(shí)際液艙相同，而激勵(lì)形式和艙內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)都與實(shí)際情況存在差異，且試驗(yàn)中未能采用真實(shí)的LNG進(jìn)行試驗(yàn)，往往不能滿足低溫條件。因此，反映FLNG液艙晃蕩真實(shí)條件的試驗(yàn)還有待今后進(jìn)一步驗(yàn)證研究。

3) 開展液艙晃蕩和船體水彈性響應(yīng)研究。液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)方式趨于多自由度聯(lián)合耦合激勵(lì)，通常仍假設(shè)研究對(duì)象為剛體，然而大型FLNG屬于大尺度海洋結(jié)構(gòu)物，存在相關(guān)水彈性問題。船體結(jié)構(gòu)在外界波浪激勵(lì)作用下會(huì)產(chǎn)生變形，需要考慮液艙晃蕩和彈性大尺度船體相互之間影響；而且艙內(nèi)液體晃蕩沖擊壓力也會(huì)使得液艙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，影響艙內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)情況。這方面工作難度較大，尚處于空白。

4) 建立液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的理論模型。從液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法的4類研究方向可以看出，數(shù)值模擬方法在該問題中已得到比較廣泛的應(yīng)用，可以較好地模擬和處理液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)問題。但是目前理論模型主要是基于部分非線性理論，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異，還不能完全真實(shí)地模擬求解該問題，數(shù)值分析方法的精度還有待進(jìn)一步提高。因此，有必要建立液艙劇烈晃蕩和船體大幅運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)非線性理論模型，使得數(shù)值模擬更接近實(shí)際問題。

5) 提高液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬效率。提高計(jì)算效率始終是數(shù)值模擬中的重要問題。液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的機(jī)理和特性非常復(fù)雜，液艙晃蕩的模擬已然相當(dāng)耗時(shí)，再將它和船體水動(dòng)力相互作用，計(jì)算量勢(shì)必大大增加。因此，還需要簡(jiǎn)化或者改進(jìn)相關(guān)理論模型，提高液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬效率。

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(編輯：呂歡歡)

Status and outlook of research on the coupling motion between liquid sloshing and the hull body of large FLNG

HAN Xuliang1,2XIE Bin1ZHU Xiaosong1WANG Junrong1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Upon the introduction to FLNG application background, it is pointed out that the coupling motion between liquid sloshing and the hull body is one of the most serious problems for FLNG.The research status of the coupling motion between liquid sloshing and the hull body is summarized and analyzed, mainly concerning the selection of containment systems, model tests and numerical simulation technology.The characteristics of the experimental technology and the application of the numerical simulation technology are discussed.Finally, some suggestions are put forward for the directions of future research on the coupling motion.

FLNG; liquid sloshing; coupling motion; containment system; model tests; numerical simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金“南海惡劣海況下FLNG船體運(yùn)動(dòng)與液艙晃蕩耦合分析方法研究(編號(hào)：51609267)”、“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型FLNG/FLPG、FDPSO關(guān)鍵技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05026-006)”、中海油研究總院自立課題“深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新(編號(hào)：2016-KJZC-013)”部分研究成果。

韓旭亮，男，博士后，2015年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)并獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水浮式結(jié)構(gòu)物總體性能研究工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號(hào)院 (郵編：100028)。E-mail：hanxl9@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)01-0116-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.018

韓旭亮,謝彬,朱小松，等.大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運(yùn)動(dòng)研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(1)：116-123.

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TE835

A

2016-05-18 改回日期：2016-07-20