LNG独立C型舱晃荡数值仿真与试验研究

摘要

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TierⅢ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。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2液体固有频率与共振频率研究现状

1．2．1液体固有频率研究

1．2．2共振频率研究

1．3液舱内液体晃荡研究现状

1．3．1理论分析研究

1．3．2数值模拟研究

1．3．3物理试验研究

1．4液舱制荡研究现状

1．4．1液舱制荡板研究

1．4．2液舱制荡舱壁研究

1．5本文主要研究思路

2数值计算理论与试验设计

2．1 引言

2．2控制方程

2．3初始条件

2．4边界条件

2．5数值计算方法及模型

2．5．1离散方法

2．5．2流场数值解法

2．5．3湍流模型

2．5．4自由液面捕捉方法

2．5．4滑移网格技术

2．6试验模型

2．6．1模型液舱

2．6．2制荡舱壁

2．6．3试验介质

2．7试验装置

2．7．1晃荡激励平台

2．7．2晃荡试验采集装置

2．7．3试验装置操作方法

2．8试验工况

2．8．1理论固有频率数值计算

2．8．2试验工况设计

2．9本章小结

3共振频率研究

3．1 引言

3．2理论固有频率试验验证

3．3共振频率研究

3．4本章小结

4液体晃荡研究

4．1引言

4．2晃荡试验分析

4．2．1波形特性分析

4．2．2试验数据分析

4．3晃荡数值方法的验证

4．3．1计算模型及相关参数

4．3．2网格与时间步长独立性分析

4．3．3数值计算结果验证

4．4晃荡荷载快速计算

4．4．1 改进的数值计算技术

4．4．2计算模型建立及参数设置

4．4．3计算结果验证

4．4．4计算成本评估

4．5实船晃荡荷载计算

4．5．1计算流程

4．5．2计算原理

4．5．3 计算实例

4．6本章小结

5液舱制荡研究

5．1引言

5．2环型制荡板数值研究

5．2．1计算模型及工况

5．2．2数值算例正交设计

5．2．3计算结果及分析

5．3多孔型制荡舱壁数值研究

5．3．1计算模型

5．3．2数值计算结果验证

5．3．3数值计算分析

5．3．4多孔型制荡舱壁与环形制荡板比较

5．4本章小结

6结论与展望

6．1 结论

6．2创新点摘要

6．3 展望

参考文献

致谢

作者简介