蘇仰旋，鄭苗子，趙天奉，余　陽(yáng)，段夢(mèng)蘭，時(shí)文斌

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 海洋油氣研究中心，北京 102249)①

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FLNG拖曳晃蕩試驗(yàn)研究

蘇仰旋，鄭苗子，趙天奉，余陽(yáng)，段夢(mèng)蘭，時(shí)文斌

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 海洋油氣研究中心，北京 102249)①

在波浪等外載荷的影響下，F(xiàn)LNG液艙內(nèi)的LNG(液化天然氣)在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇烈的晃蕩作用，對(duì)液艙艙壁產(chǎn)生沖擊，這對(duì)船體及液艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及船舶拖航的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。液艙晃蕩與船舶運(yùn)動(dòng)的耦合作用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，研究過(guò)程中模型試驗(yàn)的方法得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。基于推板造波理論，設(shè)計(jì)并制作出一套單向推板造波系統(tǒng)，并按照1/300的縮尺比設(shè)計(jì)制作出FLNG及液艙模型，進(jìn)行了模型試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究了載液率對(duì)液艙晃蕩劇烈程度的影響效果，對(duì)勻速拖航過(guò)程中影響拖纜張力的部分因素進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果可為后續(xù)相關(guān)研究工作提供基礎(chǔ)。

FLNG；推板造波系統(tǒng)；拖航；試驗(yàn)

在研究液艙晃蕩問(wèn)題的過(guò)程中，主要有理論解析法、數(shù)值模擬法和模型試驗(yàn)研究等主流方法。Abramson、Faltinsen等人[1-3]的研究使線(xiàn)性模態(tài)理論、攝動(dòng)理論、淺水波理論等得到廣泛應(yīng)用，拉開(kāi)了液體晃蕩研究的序幕。理論解析的數(shù)學(xué)方法可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但對(duì)于液面破碎、翻轉(zhuǎn)等強(qiáng)非線(xiàn)性現(xiàn)象，以及振幅較大的復(fù)雜情況，其處理問(wèn)題的過(guò)程會(huì)變得格外繁瑣，結(jié)果也不甚準(zhǔn)確。

利用計(jì)算機(jī)對(duì)晃蕩進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬，可以對(duì)多種復(fù)雜的晃蕩情況進(jìn)行分析。Zhao[4]等人對(duì)橫浪、迎浪兩種不同情況下的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；Gou[5]采用邊界單元法在時(shí)域和頻域范圍討論船體運(yùn)動(dòng)和液艙晃蕩耦合運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，并和試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，得到了較為理想的結(jié)果。

與理論研究及數(shù)值模擬相比，模型試驗(yàn)可以得到較為符合實(shí)際工況的結(jié)果，因而得到廣泛應(yīng)用。液艙內(nèi)流體和船體運(yùn)動(dòng)的耦合方面的研究是模型試驗(yàn)的研究重點(diǎn)。Zhao[6]和蔡忠華[7]分別研究了船體運(yùn)動(dòng)方向以及液體固有頻率對(duì)液艙晃蕩的影響效果；祁恩榮等[8]對(duì)薄膜型液艙受不同外部激勵(lì)時(shí)的晃蕩壓力進(jìn)行了分析，為液艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

在液艙晃蕩的研究方面，對(duì)自由液面、液艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及液艙晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)耦合方面的研究均有了一定進(jìn)展，但在液艙晃蕩現(xiàn)象對(duì)FLNG拖航過(guò)程的影響方面還缺乏相應(yīng)研究。本文設(shè)計(jì)制作了單向推板造波系統(tǒng)，并通過(guò)模型試驗(yàn)研究了不同載液率對(duì)液艙晃蕩現(xiàn)象的影響效果，研究了液艙晃蕩現(xiàn)象對(duì)勻速拖航過(guò)程中的拖航阻力的影響，得出了具有參考意義的結(jié)論。

1　模型試驗(yàn)裝置

1.1造波裝置

1.1.1推板造波理論

推板式水池造波的原理如圖1所示。z軸正方向?yàn)榇怪毕蛏?，推波板與液面垂直。

圖1　推板造波理論示意

設(shè)定目標(biāo)波浪表達(dá)式，根據(jù)勢(shì)流理論，對(duì)推板式造波而言，造波傳遞函數(shù)[9]為

(1)

ω2-k0dtanh(k0d)=0

(2)

綜合以上公式，可以得到推波板運(yùn)動(dòng)表達(dá)式：

(3)

式中：h為波高；k0為波數(shù)；t為時(shí)間；d為靜水水深；A為目標(biāo)波浪的振幅；Ap為推波板行程；ω為目標(biāo)波浪角頻率；U為推波板運(yùn)動(dòng)的速度。

造波過(guò)程中，只要確定靜水水深、波高、角頻率等參數(shù)，就可根據(jù)式(3)對(duì)造波板的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，從而制造出符合要求的目標(biāo)波浪。

1.1.2造波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

造波水池為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為10 m，寬2 m，高1 m。造波系統(tǒng)的機(jī)械裝置可分為伺服絲杠運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、造波架、推波板3大部分。造波架采用結(jié)構(gòu)尺寸小、剛度大、加工精度要求較低的框架結(jié)構(gòu)，盡可能的減小慣性力的不利影響。伺服絲杠運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由CM35L-10單軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等組成。

圖2　造波系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2FLNG及液艙模型

1.2.1模型縮尺比

本試驗(yàn)以韓國(guó)大宇造船海洋株式會(huì)社(DSME)建造的世界上第一艘FLNG裝置為船模原型[10]，采用1/300的縮尺比進(jìn)行模型的制作。

1.2.2模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FLNG及液艙模型均利用有機(jī)玻璃制作，如圖3所示。FLNG模型長(zhǎng)1 m，寬0.2 m，高0.135 m；液艙模型長(zhǎng)0.3 m，寬0.2 m，高0.12 m。

a　三維設(shè)計(jì)圖

b　實(shí)物圖3　FLNG模型

1.3拖曳裝置

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社2012年的《海上拖航規(guī)范》的要求，船舶類(lèi)的拖航速度不應(yīng)小于4 kn，拖纜最小長(zhǎng)度應(yīng)不小于船長(zhǎng)的2倍。本模型采用1/300的縮尺比，拖航速度至少為0.007 m/s，拖纜最小長(zhǎng)度為2 m。本試驗(yàn)進(jìn)行0.06 m/s的勻速拖航，選定拖纜長(zhǎng)度為4 m。

拖航過(guò)程中，交流電機(jī)提供拖航動(dòng)力，拖纜繞過(guò)張力傳感器進(jìn)行張力的測(cè)量，并利用數(shù)字顯示儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作。如圖4。

圖4　FLNG拖航裝置試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2　模型試驗(yàn)

本文所進(jìn)行的模型試驗(yàn)分為兩大部分，一是研究勻速拖航狀態(tài)下載液率對(duì)液艙晃蕩的影響；二是研究液艙晃蕩劇烈程度對(duì)拖航阻力的影響。

2.1波浪條件

《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234—2001)要求：模型的原始入射波，規(guī)則波波高不應(yīng)小于2 cm，波周期不應(yīng)小于0.5 s；規(guī)則波平均波高和波周期的允許誤差在5%以?xún)?nèi)。本文選用周期3 s，波長(zhǎng)0.6 m，波高0.08 m的規(guī)則正弦波進(jìn)行模型試驗(yàn)。利用單向推板造波系統(tǒng)進(jìn)行波浪的模擬，使用浪高儀對(duì)波浪參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，波浪參數(shù)如表1所示。模擬波浪的理論值與測(cè)量值出現(xiàn)的誤差可能由伺服電機(jī)的響應(yīng)速度、位置點(diǎn)的數(shù)量、測(cè)量誤差等造成。模擬波浪精度可以滿(mǎn)足模型試驗(yàn)的要求。

表1　模擬波浪參數(shù)值

2.2液艙晃蕩試驗(yàn)

為防止流體產(chǎn)生劇烈晃蕩現(xiàn)象，各大船級(jí)社對(duì)LNG薄膜型液艙載液率均提出嚴(yán)格要求[11-12]：滿(mǎn)載航行的情況下，載液率不得低于70%；壓載航行情況下，載液率不高于10%。

本文選擇10%H，30%H，80%H3種不同的載液率進(jìn)行模型試驗(yàn)。FLNG模型裝載2個(gè)液艙，在波浪條件下對(duì)模型進(jìn)行0.06 m/s勻速拖航，不同載液率下的晃蕩情況如圖5所示。

1)10%H載液率時(shí)，液艙內(nèi)發(fā)生輕微的晃蕩現(xiàn)象，液面有輕微波動(dòng)。

2)當(dāng)載液率達(dá)到30%H時(shí)，液艙內(nèi)產(chǎn)生駐波，波面光滑，波浪沖擊艙壁前以二維運(yùn)動(dòng)為主，晃蕩達(dá)到一個(gè)較大值并對(duì)艙壁產(chǎn)生周期性的沖擊。

3)載液率達(dá)到80%H時(shí)，晃蕩的劇烈程度達(dá)到試驗(yàn)工況的最大值，三維效應(yīng)的影響較大，流場(chǎng)非常復(fù)雜?；问帉?duì)液艙艙頂及其與艙壁的連接處產(chǎn)生劇烈沖擊。

a　10%H載液率

b　30%H載液率

c　80%H載液率圖5　不同載液率下液艙晃蕩情況

2.3拖曳試驗(yàn)

FLNG拖航過(guò)程中，外部波浪力以及內(nèi)部的液艙晃蕩現(xiàn)象均可能對(duì)拖航穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文在拖航速度、系拖點(diǎn)、波浪、水深等不變情況下，通過(guò)改變載液率、貨物類(lèi)型、波浪條件等使液艙內(nèi)發(fā)生不同程度的晃蕩，并在此基礎(chǔ)上研究晃蕩程度對(duì)拖航阻力的影響。

勻速拖航過(guò)程中，拖纜張力與拖航阻力大致相等，利用張力傳感器對(duì)拖纜張力進(jìn)行測(cè)量，并繪制出不同工況下拖航的張力-時(shí)間曲線(xiàn)，如圖6所示。

本次拖曳試驗(yàn)在靜水、正弦波浪2種不同波浪條件下進(jìn)行勻速拖航試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)由圖6中10%H，30%H，80%H載液率下的“水-波浪”工況的拖航阻力曲線(xiàn)可以看出，不同載液率下勻速拖航的拖航阻力穩(wěn)定值由大到小排列為：80%H>30%H>10%H，此順序與前文第2.2節(jié)得到的液艙晃蕩劇烈程度一致。

a　10%H載液率

b　30%H載液率

c　80%H載液率圖6　不同載液率下拖纜的張力-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

2)當(dāng)液艙載液率一定時(shí)，不同的“貨物種類(lèi)-波浪類(lèi)型”組合下得到的拖航阻力穩(wěn)定值由大到小排列為：“水-波浪”>“黃沙-波浪”>“黃沙-靜水”。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，此拖航阻力值的大小與該工況下液艙晃蕩的劇烈程度大小一致。

綜合(1)、(2)，在本試驗(yàn)工況下，拖航阻力值可能受到液艙晃蕩的影響，晃蕩程度越劇烈，拖航阻力值越大。

3　結(jié)論

1)依據(jù)推板造波理論完成單向推板造波裝置的設(shè)計(jì)、制作。以世界上第1艘FLNG裝置為原型，根據(jù)1/300的縮尺比制作出FLNG模型，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)。通過(guò)模型試驗(yàn)分析了載液率、液艙晃蕩現(xiàn)象、拖航阻力值之間關(guān)系。

2)波浪條件下，F(xiàn)LNG液艙內(nèi)載液率不同時(shí)液艙晃蕩程度不同，對(duì)液艙造成不同程度的沖擊。

3)在一定工況下，液艙晃蕩現(xiàn)象可能會(huì)對(duì)拖航阻力產(chǎn)生一定程度的影響。本試驗(yàn)工況下表現(xiàn)為拖航阻力值隨著液艙晃蕩程度的增加而增大。

4)液艙晃蕩現(xiàn)象及其造成的拖航阻力增加使FLNG拖航穩(wěn)定性有所降低。在FLNG實(shí)際拖航過(guò)程中，為減輕拖航過(guò)程中的功率消耗，增加拖航穩(wěn)定性，建議采用固體貨物進(jìn)行壓載，并合理選擇載液率，避開(kāi)較大風(fēng)浪，提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性。

5)本文未考慮其他外部因素對(duì)FLNG液艙內(nèi)液體晃蕩的影響。為了更準(zhǔn)確地研究液艙晃蕩對(duì)拖航阻力的影響效果，還需進(jìn)行數(shù)值模擬及理論計(jì)算的綜合研究。

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Experimental Research on FLNG Towing and Sloshing

SU Yangxuan，ZHENG Miaozi，ZHAO Tianfeng，YU Yang，DUAN Menglan，SHI Wenbin

(OffshoreOil&GasResearchCenter，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Under the influence of the external loads such as waves，LNG (liquefied natural gas) in tanks may result in a dramatic sloshing during transportation，which has an impact on the tank bulkhead；and provides huge challenges to the design of the hull structure and ship towing.Coupling of tank sloshing and motion of the ship is a research hotspot，and model tests have been more widely used.This paper designed a piston-type wave maker and FLNG models in the scale of 1/300.The tests studied the intensity of sloshing under different liquid rates，and carried on a comparative study on various factors which could have influences on towline tension in the process of uniform towing.The experimental results can provide reference for engineering practice.

FLNG；piston-type wave maker；towing；testing

1001-3482(2016)09-0025-05

2016-03-23

蘇仰旋(1993-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要進(jìn)行海洋油氣裝備研究，E-mail：suyangxuan@163.com。

TE952

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.006