FLNG浅水液舱晃荡及其耦合运动机理研究

The Floating Liquefied Natural Gas (FLNG), an effective way of natural gas exploration, has attracted much attentions for many countries. The strongly nonlinear sloshing and coupling motions appear when the external wave frequencies close to the natural frequencies of internal shallow water case. The clarification of nonlinear mechanism is of great importance for the design of FLNG. Firstly, the linear response of sloshing and coupling motions is modeled and the rule of motion under different external wave condition is analyzed. The nonlinear shallow water sloshing is investigated based on the Boussinesq-type equations and moving boundary algorithm, which is verified by model test. The computational model of coupling motion and the affection of shallow water sloshing is analyzed by equation of motion in the time domain.

浮式液化天然气储存装置（FLNG）作为海上天然气开发有效手段已经成为各国研究热点。当FLNG内液体装载较少且外部波浪频率接近液舱流体固有频率时, 内部晃荡运动及其船体耦合运动呈现强非线性，澄清该非线性运动机理对于FLNG设计至关重要。本课题首先对液舱晃荡运动和船体耦合运动线性响应构建计算模型, 分析其在不同波浪条件下运动规律; 其次基于新型速度势Boussinesq理论拓展模型以及移动边界算法对液舱内部浅水晃荡运动规律进行分析研究, 并通过模型试验对比验证分析; 最后利用时域运动方程构建船体耦合运动计算模型, 分析浅水晃荡运动对于船体运动响应影响规律。

浮式液化天然气生产存储装置（FLNG）是海上天然气开发重要工具，装置在波浪激励作用下，内部液舱会产生剧烈晃荡运动，并对船体运动产生较大影响。本课题主要针对内部液舱运动规律，特别是浅水液舱晃荡运动规律进行分析研究，同时对内部液舱晃荡运动与船体运动耦合分析结果进行研究。.首先基于线性势流理论，构建液舱晃荡以及船体耦合运动求解模型，该模型在FLNG初步设计阶段可以用于快速预报，结果表明对于高充液率情况下液舱晃荡船体耦合问题，能够较好的描述耦合运动主体特征。对于低充液率情况，内部呈现强非线性行进波，本课题采用高精度Boussinesq方程进行计算描述。计算结果表明，当外部激励频率接近液舱固有频率时，浅水液舱内部流体呈现出单个，两个或者三个强非线性行进波波峰在液舱内部来回运动现象。波浪行进到舱壁之后，冲击壁面产生爬升回落，最后返回传播。对于船体与浅水液舱晃荡耦合运动分析，基于频域计算结果，通过时域运动方程进行求解并与线性理论以及实验结果对比。在第一个固有频率周围，由于横摇固有周期与晃荡固有频率较为接近，耦合现象明显，此时非线性理论与线性理论均可描述。对于第二个固有频率处，属于内部液舱非线性波浪运动导致，故只有非线性Boussinesq方程与实验结果吻合。.本课题初步拓展研究三维液舱晃荡运动响应，首先对于三维方形液舱水平面两个方向平动，激励幅值相同，激励相同频率且接近固有频率，结果发现在水平面两个方向上均出现单峰行进波，波峰线十字交叉。双波峰与三波峰具有同样交叉运动特性。对于横摇，纵摇以及艏摇运动，需要复杂速度势特解，以待后续研究。.本课题针对变化底部处FLNG耦合运动进行分析，基于三维数值波浪水池模拟波浪在变化地形上传播变形过程，提取船舶所在位置处波浪特征，基于哈斯金关系式计算浮体所受作用力，进而分析其运动特征。通过分析表明海底形状对浮体水动力系数产生影响，从而改变固有频率，影响耦合运动特征。