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原文传递 FLNG系统储舱设计中的晃荡与砰击荷载研究

论文题名：	FLNG系统储舱设计中的晃荡与砰击荷载研究
关键词：	液化天然气终端;储舱设计;晃荡砰击荷载
摘要：	适用于深、远海油气田，集开采、液化、储存、装卸、运输和气化天然气的新型开发模式，受到工业界和学术界的广泛关注。随着我国南海油气开发向超深水发展，新型开发模式有着广泛的应用前景。海上浮式液化天然气终端(Floating Liquidfied NaturalGas，FLNG)是新型海上天然气开发模式中的关键装备之一，集开采、液化、储存与装卸天然气功能于一体。目前尚未有建成的FLNG，只有少数国外公司具备设计和制造的能力，我国需要发展FLNG的设计和建造技术。　　本文系统地开展了超大型船载储舱内晃荡砰击荷载、液舱设计及抑制砰击载荷的研究。本文所开展的主要研究工作及结论归纳如下: 　　1 FLNG大尺度储舱内流体砰击荷载室内实验方法研究　　室内大尺度晃荡模型实验是最能真实反映砰击物理过程的研究方法。由于液体和气体均具有可压缩性，导致砰击压力瞬时增大，因此，实验研究中如何准确地测量砰击载荷是关键问题。本文建立了FLNG大尺度储舱晃荡模型实验平台，设计了不同形状的大尺度液舱模型（矩形舱和GTT舱）;给出了大尺度储舱流体晃荡砰击压力测量方法，并验证了砰击荷载测量方法的精确性和可靠性;根据砰击载荷在时域和空间域的分布特性，设计了压力监测阵列式模块测量砰击载荷。上述研究为大尺度储舱内流体砰击荷载模型实验中压力传感器的选择和测点布局提供参考。　　2 GTT储舱内模型尺寸对砰击载荷影响的实验研究　　目前国内外尚没有针对模型的尺寸对流场砰击的物理现象和砰击特征物理参数的系统研究。此外，室内模型实验中的一个挑战是如何将模型实验结果合理地换算到原型尺度。许多学者认为晃荡室内模型实验中采用弗劳德相似将模型砰击载荷结果返算回原型尺度，结果偏保守。但是尚没有实验证明这个观点。本文开展了GTT储舱内尺寸效应的实验研究。讨论模型尺寸对砰击的物理现象和砰击荷载的影响，进而验证了流体砰击荷载实验中，采用弗劳德相似准则将模型砰击载荷结果换算到原型尺度，结果是偏于保守的。　　3二维矩形液舱内的晃荡砰击荷载实验研究　　针对二维矩形液舱内的晃荡砰击荷载开展了系统的实验研究。在规则横摇激励下，分析了外激激励参数对砰击荷载的影响，并提出砰击荷载具有饱和性。基于长期不规则激励下的砰击荷载实验，讨论了砰击荷载的特性。根据砰击荷载发生的概率，确定对应的砰击压力值和其对应的砰击特征时间，量化砰击荷载的三角脉冲模型。该载荷模型可以为大型船载天然气液舱的结构开展有限元分析时，提供砰击荷载参考依据。　　4 GTT NO96型液舱的设计研究　　根据GTT NO96型液舱的概念设计原则，基于前两章的研究工作，从降低晃荡荷载的角度，采用数值仿真方法对单个液舱的形状和尺寸开展设计研究。基于最佳拐角类型和最佳拐角位置，提出一种新的液舱设计方案。该液舱不仅满足降低晃荡荷载的要求，而且满足舱容的要求。为了尽可能避免液舱内流体的晃荡砰击，应保证自由液面的最低阶固有频率能够远离船体运动的频率。基于这个原则，本文提出了单舱主尺度的合理尺寸范围和最佳尺寸。　　5高固体率隔板的阻晃机理研究　　在浅水大振幅横荡工况下，开展了晃荡砰击抑制问题的实验研究。通过观察液舱内的全局自由液面的变化，发现了一种新的波系。其发生条件是小激励周期比率和大振幅。该波系扩展现有的浅水条件下储舱内自由液面的波浪形态，为液舱内阻晃隔板设计提供了新的受力形式。此外，通过实验方法揭示了高固体率阻晃隔板可有效地降低自由液面波高并抑制砰击荷载的内在机理，并提出阻晃隔板的最优固体率约为0.6-0.7。该最优固体率在阻晃隔板设计中具有参考价值。　　本文研究结果和结论对于更全面地认识流体砰击及其抑制的内在机理，更好地为超大型FLNG储舱和储舱内阻晃隔板的设计等方面具有指导意义。
作者：	卫志军
专业：	工程力学
导师：	岳前进;Odd Magnus Faltinsen
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文