浮式液化天然气装备(FLNG)水动力性能的数值分析及实验研究

摘要

当今国际社会对环境保护日益重视,清洁能源的需求量大增。天然气作为一种热值高、排放少、价格低的清洁能源而备受关注。对清洁能源需求的不断增加,以及陆上油气资源的日渐枯竭,加速了世界上各大石油天然气公司向海洋尤其是深水海域进军的步伐。为了经济高效地开发深海气田,尤其是海洋边际气田、小型气田,国际上提出了浮式液化天然气装备(Floating Liquefied Natural Gas System,简称FLNG)的概念。
　　FLNG是集海上天然气/石油气的生产、液化、储存与卸载功能为一体的新型天然气开发平台。作为一种经济高效的开发方案,该新型平台的提出,一方面将彻底改变传统的海上天然气开发模式;另一方面,将有效地避免在深水海域铺设管道所面临的技术难题,使深海天然气田的开发成为现实。FLNG具有广范的应用前景,是海洋工程领域的研究热点之一。天然气通常冷却至-162℃以液化天然气(Liquefied Natural Gas,简称LNG)的形式存储,并卸载至天然气运输船(LNG Carrier,简称LNGC),由其运送到沿海的天然气基地进行处理。在此过程中,超低温对多浮体间的卸载作业提出了更高的要求;另外,LNG的强非线性晃荡将在舱壁处引起较大的冲击力,并在很大程度上影响 FLNG的水动力性能。以上特点使得FLNG的水动力性能研究区别于传统的FPSO研究。
　　我国南海深水海域天然气储量巨大,FLNG水动力性能及其关键技术的研究是目前海洋工程领域的前沿课题,也是我国南海油气资源开发战略中的重要课题。本论文通过数值分析与水池模型实验相结合的方法,对 FLNG系统的水动力性能,诸如 FLNG船体水动力性能、FLNG船体/系泊系统耦合水动力性能、FLNG-LNGC多浮体与连接系统耦合水动力性能等进行了研究。同时,针对FLNG水动力性能的重要影响因素,如舱内液体晃荡进行了研究,并针对非线性晃荡与船体运动之间的耦合响应机理进行了深入地研究。
　　采用三维频域势流理论对 FLNG船体的水动力性能进行数值预报,获得了FLNG船体的附加质量、阻尼系数等水动力参数以及船体运动的幅值响应算子(Response Amplitude Operator,简称RAO),对FLNG船体的水动力性能进行分析。采用短期预报技术,对 FLNG船体在南海百年一遇波浪作用下的响应特性进行预报。基于卡明斯理论,并通过频域转时域的方法,针对 FLNG船体运动及系泊系统动力响应开展时域耦合数值分析。研究了不同海况条件下,FLNG船体的运动性能及系泊系统的动力响应,考察了FLNG概念在我国南海海域应用的可行性。进一步,全面考虑多浮体间的相互水动力影响、船体与系泊系统间的耦合,建立了FLNG-LNGC多浮体系统的时域耦合数值分析模型,对旁靠(Side by Side)与尾输(Tandem)卸载作业时的水动力性能,诸如FLNG与LNGC之间的相对运动、系泊系统张力特性、连接缆张力及防碰装置所受的压力情况等进行了系统地研究。针对多浮体系统水动力性能的重要影响因素,如连接缆长度、刚度以及两浮体之间连接方式等进行了研究。采用水深截断技术对全水深系泊系统进行水深截断设计,开展相应的水池模型实验,对数值计算结果加以验证。水池模型实验包括静水衰减实验、水平刚度实验、白噪声不规则波实验以及风、浪、流不规则波实验等。通过实验数据与数值分析结果的对比,验证了文中所建数值分析模型的可靠性。利用数值分析与水池模型实验相结合的方法,对 FLNG系统的整体水动力性能进行了研究,为 FLNG的系统设计及卸载方案设计提出了有益建议。
　　FLNG船体的运动将引起舱内LNG的晃荡,而舱内液体的晃荡一方面将会在液舱的壁面形成较大的冲击压力,另外一方面将会影响 FLNG船体的整体运动性能。开展白噪声不规则波实验,实验中分别采用固体及液体对 FLNG模型进行压载,通过两种情况下FLNG运动响应RAO的对比,考察了舱内液体晃荡对FLNG船体整体运动性能的影响。
　　更进一步,针对二维非线性晃荡与船体运动之间的耦合响应开展研究,探索其响应规律及耦合机理。自主开发了时域耦合计算程序,并开展相应的二维水池模型实验加以验证。文中设计了不同的载况进行了水池模型实验,研究了装载水平及周期变化对耦合响应的影响。在时域耦合计算模型中,采用半拉格朗日方法对舱内液体晃荡引起的非线性液面进行捕捉。基于加速度势概念,建立了关于加速度势的初边值问题,从而更为精确地预报舱内液体晃荡所引起的冲击力。船体运动的求解则通过频域转时域的方法得以实现。该耦合分析模型采用4阶龙格-库塔方法进行时间步进,实现对非线性晃荡与船体运动耦合响应的预报。利用该数值分析模型,研究了舱内液体晃荡的强非线性流动特性,并考察了入射波波高及频率变化对液体晃荡与船体运动耦合响应的影响。通过对舱内自由液面的深入研究,探索了液舱内部作用力的成因,以及舱内液体晃荡与船体运动的耦合机理。
　　综上所述,本文提出了有效的数值分析方法,并利用水池模型实验结果验证了其可靠性。形成了一套完整可靠的预报方法,对 FLNG系统的水动力性能及其重要影响因素进行研究,验证了FLNG概念在我国南海海域应用的可行性,考察了FLNG系统在极限作业海况下的水动力性能,为FLNG卸载方案的设计提出优化方案,得到了具有创新意义的结论。文中完善了非线性晃荡的计算理论,克服了强非线性自由液面的捕捉及更新难题,自主开发了时域耦合计算程序,实现对强非线性晃荡与船体运动耦合响应的可靠预报;该程序在保证良好可靠性的同时,大大提升了计算效率,便于在工业界的推广应用。本论文的研究成果,对于全面认识和深入研究 FLNG系统的水动力技术性能,形成相关的数值预报技术和实验技术手段,具有十分重要的意义。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 FLNG的发展和应用

1.3 FLNG研究与进展

1.4本论文的研究内容

第二章 数值分析基本理论

2.1概述

2.2 FLNG船体运动及其耦合问题的三维势流理论

2.3非线性晃荡及船体运动耦合响应的二维势流理论

2.4本章小结

第三章 FLNG系统及水池模型实验基本理论

3.1概述

3.2南海FLNG系统概念方案介绍

3.3水池模型实验基本理论

3.4本章小结

第四章 FLNG船体水动力性能研究

4.1概述

4.2频域势流理论

4.3 FLNG船体的水池模型实验研究

4.4结果与分析

4.5 本章小结

第五章 FLNG船体/系泊系统耦合水动力性能研究

5.1概述

5.2 时域耦合分析理论及数值分析模型

5.3 FLNG船体/系泊系统耦合水动力性能的模型实验研究

5.4结果与分析

5.5 本章小结

第六章 FLNG-LNGC多浮体/连接系统耦合水动力性能研究

6.1概述

6.2 FLNG与LNGC多浮体系统的时域耦合计算理论

6.3 FLNG与LNGC多浮体系统的水动力性能实验研究

6.4结果与分析

6.5本章小结

第七章 液体晃荡对FLNG船体水动力性能的影响

7.1概述

7.2模型制作与实验布置

7.3结果与分析

7.4本章小结

第八章 非线性晃荡与船体运动的耦合响应机理

8.1概述

8.2耦合计算理论

8.3船体运动与非线性晃荡的模型实验研究

8.4水动力性能结果与分析

8.5本章小结

第九章 总结与展望

9.1 主要研究工作总结及结论

9.2 创新性

9.3进一步研究工作与展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间申请的专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢