FPSO液舱晃荡与船舶时域耦合运动数值模拟

液舱晃荡对船舶运动产生的影响经常被忽略或线性化处理,而当液舱液量较低时,船舶运动与液舱晃荡耦合的非线性性是极为显著的。通过对加入液舱内液体粘性影响的时域方程进行求解,分析FPSO模型船舶与液舱晃荡耦合运动,并将求解结果与试验数据和频域方程求解结果进行对比。首先,采用Hydrostar软件基于频域势流理论得到水动力系数以及波浪载荷。然后,通过脉冲响应函数法(IRF)在时域积分得到波浪辐射力。最后,计算船舶与液舱晃荡耦合运动。一方面,通过CFD软件Fluent模拟液舱晃荡,获取晃荡所产生的力及力矩,并以外力形式加载于船体,得到船舶运动响应;另一方面,在船舶运动仿真计算结果的基础上求解液舱晃荡运动。结果显示:这种计算船舶与液舱晃荡时域耦合运动的方法较频域计算方法更为精确,且得到的船舶幅值响应算子(RAO)也符合试验结果。     

液舱晃荡与FPSO波浪运动相互耦合时域分析

浮式生产储油轮（FPSO）长期在外海作业,其液舱晃荡现象始终存在。文中对船体外流场采用非线性势流理论,对液舱内流场采用线性势流理论,应用脉冲响应函数法,基于法国船级社（BV）的综合性水动力分析软件HOMER,计算了FPSO在考虑液舱晃荡作用下的时域运动响应,并对晃荡压强进行对比分析。结果表明：液舱晃荡对FPSO运动具有一定的影响,且该影响在迎浪船舷的运动上更为明显,同时迎浪船舷液舱晃荡产生的压强也更大。     

船舶运动与液舱晃荡耦合频域计算方法

[目的]随着载液船舶(LNG,FPSO,FLNG等)的大型化以及对作业效率和作业安全性要求的不断提高,液舱晃荡以及由其引起的船舶运动问题愈发严重。为有效解决该问题,[方法]首先,基于三维势流理论和波浪辐射绕射理论,采用高阶边界元法开发波浪与三维结构物作用的计算程序,选取某艘FPSO船型,将本程序的计算结果与采用水动力计算软件AQWA,HYDROSTAR所得结果进行对比,验证程序的准确性;然后,将液舱晃荡水动力系数的频域求解方法与船舶运动的频域求解方法相结合,建立考虑液舱晃荡影响的船舶频域运动方程,获得耦合液舱晃荡后的船舶运动响应;最后,以一艘加载了2个液舱的FPSO船型为例,论证该计算方法的准确性。[结果]通过对比液舱不同装载下的船舶运动响应,发现存在着船舶的横摇共振频率出现偏移、耦合横摇运动幅值存在多个峰值,以及液舱装载不同对船舶运动的影响也不同等现象。[结论]所做研究可为载液船舶运动响应设计提供参考。     

FPSO与运输船旁靠时液舱晃荡与船舶运动耦合效应分析

浮式生产储存船(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)与运输船进行旁靠作业时,存在两船体的运动与液舱晃荡的耦合效应.文中基于法国船级社(BV)的三维线性频域水动力分析软件Hydro STAR,首先对一艘FPSO进行了波浪中的运动响应计算,通过与试验结果对比,验证了数值模型和计算方法的有效性.然后计算分析了液舱不同载液率及FPSO与运输船旁靠这两个因素对耦合运动响应的影响.结果表明:旁靠时两者间存在遮蔽效应,且FPSO和运输船的液舱载液率对彼此的运动响应均具有一定影响.     

VLCC液舱晃荡仿真及结构响应

当船体在波浪中运动的频率与液舱内液体振动的固有频率相近时,舱内液体将会发生剧烈的运动,即晃荡产生了.在船舶结构设计中,必须要考虑这种晃荡载荷及结构的响应.该文针对一超大型油轮(VLCC)液舱晃荡问题进行了三维仿真模拟.在DNV基于压力的晃荡评估方法的基础上,提出了应用有限元方法和任意拉格朗日-欧拉耦合技术进行该船全生命期内液舱晃荡仿真及强度评估的工程实用的步骤方法.     

液舱晃荡对船舶横摇运动影响的数值研究

为了研究加载液舱在船舶航行时舱内液体晃荡对船体横摇运动的影响,对船体外流场(波浪场)与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程。其中波浪中船体水动力和时延函数采用三维频域法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算。对横浪中加载了方形液舱的15000GT集装箱船在不同液舱装载深度工况下,就液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证。研究表明,耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体横摇运动的影响,数值结果与试验吻合良好,并具有较高的计算效率。     

频域范围内液舱晃荡对FLNG运动影响的研究

FLNG是一种新型的浮式海洋结构物,其外形与FPSO相似并配备天然气的液化装置以及LNC储罐.FLNG概念的出现使得海上边际油气的开发不再依赖于长距离的管道运输,从而节约了此类油气田的开发成本.文中基于WADAM并针对液舱晃荡与船体运动之间的相互影响进行了频域范围内的研究,在研究过程中将液舱内湿表面包含于船体外湿表面中从而形成一个统一的边界表面.通过计算得出考虑液舱晃荡与忽略液舱晃荡两种情况下的六自由度运动的RAO.对于两种情况下的计算结果进行分析研究,从而得到液舱晃荡对船体运动影响的重要规律.     

破损单体复合船运动与载荷预报方法研究

论文主要探讨了单体复合船型破损后的浮态稳性变化、破损舱室液舱晃荡效应等因素对破损后单体复合船型运动和波浪载荷的影响。采用面元法求解液舱晃荡运动的附加质量,分析液舱内流体晃荡运动的共振现象以及流体粘性阻尼系数对液舱晃荡载荷的影响;推导了破损后非正浮状态下船体质量力和静水恢复力公式,使用三维势流理论求解发生的船体运动和破损舱室内液舱晃荡运动的流体载荷,建立破损后船舶运动方程并求解,研究破损后浮态、稳性以及液舱晃荡效应对六自由度运动和波浪载荷的影响。研究表明,破损后浮态、稳性、液舱晃荡等对单体复合船运动及波浪载荷均会产生影响。     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

大型LNG船液舱晃荡载荷及响应模型试验研究

液舱晃荡是大型液化天然气船液舱设计中的重要问题之一,具有强非线性和离散性,很难确定其载荷值.为了研究大型液化天然气船液舱晃荡冲击载荷及其对结构的响应,文章开展了典型菱形液舱的三维晃荡模型试验,获得了大型LNG船液舱在各种运动模式下的流体拍击舱壁的冲击载荷特性以及液舱围护系统结构在晃荡冲击载荷作用下的动响应特征.     

静水中破损液舱摇荡特性试验

载液船舶破损后涉及液舱进水、泄漏、晃荡等复杂水动力耦合运动问题。通过液舱破损模型试验,对其静水中的自由横摇衰减运动进行分析,研究了不同初始横倾角、不同载液率对横摇、垂荡以及舱壁压力的影响以及运动响应与压力之间的关系。通过试验发现：浅水工况（12.5%载液率）下,液舱的运动响应最为剧烈;破口一侧下沉的扰动会造成更大运动响应以及舱壁砰击压力;舱壁砰击压力的相位与液舱横摇运动相位几乎一致。     

两种运动平台下晃荡冲击荷载的实验研究

由液体晃荡引起的冲击荷载主要与外部激励(激励频率和激励幅值)和装载率相关。大尺度物理模型实验通过运动平台在室内复现液舱的运动,进而实现在室内对储液舱内晃荡载荷的研究。因此,平台的运动能力、运动的精确性对液体冲击载荷的实验结果非常关键。为了研究不同类型运动平台的运动性能及其对储液舱内冲击载荷的影响,文中以大比尺二维矩形舱为模型,分别在单自由度运动平台和六自由度运动平台开展系统的液体晃荡冲击实验。实验结果表明:仅考虑水平运动,单自由度平台的精度要高于六自由度平台;在个别工况下,两个平台下冲击荷载时程和特征值的对比结果出现了一定差别,但是晃荡冲击荷载的整体趋势基本一致。通过评价单自由度和六自由度两种类型的运动平台在液体晃荡研究领域应用的适用性,为大尺度室内晃荡模型实验中运动平台的选择提供参考     

基于晃荡载荷的液舱结构强度研究

通过液舱晃荡载荷的数值模拟与模型试验对比分析,验证数值模拟方法适用于目标船液舱晃荡载荷的计算。基于晃荡载荷数值计算结果,采用2种方法对晃荡冲击载荷简化处理,对目标船液舱进行动力响应分析,并与规范晃荡载荷下液舱结构响应对比分析,得到液舱结构在晃荡冲击载荷作用下的响应和结构强度评估的工程分析方法,为目标船液舱结构设计提供依据。     

薄膜型LNG液舱晃荡压力与结构响应试验

影响薄膜型LNG船大型化的一个关键问题是严重的液舱晃荡冲击压力以及由此引起的复杂和危险的结构动响应,至今模型试验是研究此类问题的最重要的方法。本文以某大型LNG船尺度较大和运动较剧烈的2号液舱为研究对象,设计了精细的三维晃荡试验模型,通过不同载液水平的系列规则和不规则运动激励的晃荡试验研究晃荡冲击压力特性;基于薄膜型液舱围护系统结构性能计算结果,设计四边简支铜板格分析液舱围护系统结构弹性效应;另外,还利用浪高仪测量液舱波面运动情况。试验结果表明不论规则运动激励,还是不规则运动激励,晃荡冲击压力幅值均表现出明显的随机性,工况可能产生远大于单自由度运动工况的晃荡冲击压力。晃荡冲击压力、应力和波面测量结果可为验证晃荡数值方法和液舱围护系统结构设计提供依据。     

LNG旁靠FSRU码头系泊的水动力性能试验研究

本文对码头系泊的FSRU和LNG船的水动力性能进行了研究,分别对FSRU单船码头和FSRU-LNGC并排码头系泊进行了模型试验.码头与船和船与船之间均采用系泊缆和靠垫进行连接.试验中考虑了风、流、浪等环境因素对码头系泊系统的影响.在风浪流模型试验中,分别测量了不同海况下系泊系统的动态响应,其中包括FSRU和LNG船的六自由度运动响应、系泊缆张力和靠垫接触力.相比较其它浪向,横浪(90°)引起的船舶运动更大,进而导致系泊缆和靠垫的受力增大.结果还表明,FSRU单船码头系泊在所有海况下安全性较好,但对于LNG船旁靠FSRU码头系泊系统,其对环境的响应非常敏感,尤其是横浪环境.     

基于Level-set法的液体晃荡与弹性液舱耦合作用研究

对基于Level-set法模拟液舱液体晃荡的数值模型进行了改进,实现了对大幅晃荡引起的抨击载荷的模拟.运用水弹性力学理论论述了液体晃荡与弹性液舱耦合作用的分析方法,建立了相应的水弹性力学方程.数值算例与实验结果的比较验证了对抨击载荷模拟的正确性;通过对晃荡载荷引起的结构响应的计算分析,得出一些关于结构响应特性的重要结论.     

Investigation of Sloshing and its Effects on Global Responses of a Large LNG Carrier by Experimental Method

液舱中液体晃荡不仅对液舱结构产生内载荷作用,同时也通过与船体运动的耦合对LNG船的波浪载荷产生影响.文章通过某大型LNG船自航模型在波浪中的带液舱运动和波浪载荷试验,研究液舱中液体晃荡特性及其对总体波浪载荷的影响.同时对液舱有水(30%H)状态下的液舱中液体运动周期进行了试验研究,结果发现:在相同排水量和重量分布下,液舱中液体的存在对船体梁垂向振动频率和船体横摇周期都有影响;液舱中液体的运动周期不仅与液舱本身的形状和液面高度有关,还与船模航行时遭遇的浪向以及航速有关;虽然船舶浪向和航速是液舱内液体晃荡对总体波浪载荷产生影响的敏感参数,但总体影响不显著.     

基于FPM的液舱晃荡研究

随着液舱晃荡运动机理的研究深入,舱内液体运动响应和自由液面波形精细模拟成为研究的重点。本文应用无网格方法中的FPM(Finite Point Method)来对液舱晃荡中的动边界及自由液面大变形等问题进行数值求解和图像模拟。以二维液舱晃荡为例,校核运动边界与内部流体粒子点间的运动响应,得到FPM对于边界所受砰击力和内部兴波波高的计算结果以及自由液面模拟图像。将计算结果进行无因次化处理,通过与试验结果进行比对,验证了FPM在液舱晃荡问题中应用的可行性和准确性,也为FPM解决三维复杂液舱晃荡问题中提供铺垫。     

试验养殖工船与液舱晃荡耦合运动时频响应

为分析液舱晃荡和航速对养殖工船运动的影响,采用三维势流理论对一艘试验养殖工船的横摇、纵摇和垂荡进行频域数值计算,并通过Malenica提出的方法考虑液舱晃荡黏性的影响。应用脉冲响应函数法计算系泊工况下的时域耦合运动响应。结果表明,液舱晃荡对横摇运动影响较为显著,横摇固有频率发生偏移;对纵摇谐振幅值影响有限;对垂荡运动几无影响。随着航速的提高,横浪中航行的船舶横摇运动响应没有发生变化,而迎浪中航行的船舶纵摇谐振频率范围内的响应幅值则逐渐增加。试验养殖工船的横摇响应较大,计算结果与实船测量结果比较吻合。     

横浪中液舱晃荡与养殖工船耦合运动

多液舱养殖工船需长时间系泊在深远海区域,载液率极高,所处海况复杂,对其开展耐波性研究尤为重要.基于黏性流理论,以Stokes 5阶波模拟实际规则波,借助VOF方法捕捉自由液面,采用重叠网格技术实现船体的自由运动,通过数值计算研究实尺度下液舱对不同频率横浪中工船运动响应的影响.计算结果表明,液舱晃荡对船体运动的影响随海况变化,当船体横摇运动2阶频率与液舱固有频率相近时会产生共振,液舱晃荡周期随之改变,从而使船体的横摇运动幅度增大近30％.此外,当船体两侧都布置液舱时,横浪中迎浪侧的液舱晃荡较背浪侧更为剧烈,其垂向受力幅值变化范围约为后者的3倍.