超大型儲(chǔ)液艙內(nèi)晃蕩載荷實(shí)驗(yàn)研究

衛(wèi)志軍，阮詩(shī)倫，岳前進(jìn)，謝 彬

(1. 大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024; 2. 中海油研究總院，北京 100027)

超大型儲(chǔ)液艙內(nèi)晃蕩載荷實(shí)驗(yàn)研究

衛(wèi)志軍1，阮詩(shī)倫1，岳前進(jìn)1，謝 彬2

(1. 大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024; 2. 中海油研究總院，北京 100027)

超大型浮式液化天然氣船薄膜型液艙內(nèi)液體晃蕩載荷是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。采用實(shí)驗(yàn)方法研究縱蕩、橫蕩和橫搖下儲(chǔ)艙內(nèi)晃蕩荷載的分布規(guī)律，具體包括沖擊載荷的時(shí)程分析、最大沖擊荷載分布規(guī)律和其對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)載液率。在室內(nèi)開(kāi)展大比尺八邊形模型液體晃蕩實(shí)驗(yàn)，采用陣列式布置壓力傳感器監(jiān)測(cè)沖擊壓力的變化及其分布特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：60%～70%為最危險(xiǎn)載液率，液艙外形曲率突變的位置沖擊壓力較大。研究結(jié)果可為液艙結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)及分析提供依據(jù)。

晃蕩載荷； 大比尺模型實(shí)驗(yàn)； 沖擊壓力； 激勵(lì)； 危險(xiǎn)載液率

0 引 言

液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐運(yùn)載裝備正在向大型化與超大型化發(fā)展，液體發(fā)生晃蕩引起的砰擊問(wèn)題更加顯著[1]。適用于深海、遠(yuǎn)海油氣田開(kāi)發(fā)的新型裝備——浮式液化天然氣儲(chǔ)卸裝置(FLNG)集開(kāi)采、液化、儲(chǔ)存與裝卸天然氣功能于一體，需要超大型液化天然氣儲(chǔ)艙[1]。為了增加儲(chǔ)艙的容積和提高液化工藝系統(tǒng)的甲板利用率，通常沿著內(nèi)船殼設(shè)計(jì)并建造具有直立側(cè)壁的多邊形液艙[2-4]。該儲(chǔ)艙儲(chǔ)液容積大且無(wú)裝載率限制[1]。當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)頻率與液艙內(nèi)自由液面的固有頻率接近時(shí)，液體將產(chǎn)生劇烈的晃蕩[1-5]。液體晃蕩引起的砰擊載荷不僅會(huì)影響運(yùn)載裝備的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，也會(huì)直接威脅儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)安全[1，4]。所以，砰擊載荷是艙壁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制載荷。

液體砰擊發(fā)生時(shí)伴隨的物理現(xiàn)象非常復(fù)雜[6-7]，如波翻卷、波破碎和氣泡效應(yīng)等，使得線性理論和非線性理論對(duì)大振幅激勵(lì)下晃蕩沖擊載荷的預(yù)測(cè)均存在一定的局限性[6，8]?；谶@些理論開(kāi)展的數(shù)值實(shí)驗(yàn)也未能充分地考慮真實(shí)的物理現(xiàn)象，因而不能很好地解釋晃蕩沖擊載荷[6,8-10]。室內(nèi)液體晃蕩模型實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^真實(shí)地反映液艙內(nèi)液體晃蕩的復(fù)雜物理現(xiàn)象，因此可為晃蕩載荷的評(píng)估提供設(shè)計(jì)依據(jù)[1-5,11-12]。

許多室內(nèi)晃蕩模型實(shí)驗(yàn)采用小或窄的矩形液艙來(lái)研究沖擊載荷的特性[13-14]。由于在產(chǎn)生沖擊壓力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡、氣穴、噪聲等復(fù)雜物理現(xiàn)象，迄今為止，尚沒(méi)有一個(gè)合適的相似準(zhǔn)則能夠?qū)⒒问幠Ｐ蛯?shí)驗(yàn)中的物理量較準(zhǔn)確地推算到原型結(jié)構(gòu)中[15-17]。砰擊載荷在小尺度和大尺度模型中表現(xiàn)得明顯不同[8，13]。模型越大，其內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)越接近于真實(shí)液艙中的流體。但由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)平臺(tái)的承載能力限制，已公布的關(guān)于大尺度八邊形液艙中的晃蕩載荷資料非常少[18-21]。除此之外，由于FLNG沒(méi)有載液率限制，所以研究不同運(yùn)動(dòng)激勵(lì)和不同載液率下大尺度液艙內(nèi)液體晃蕩砰擊載荷的變化對(duì)整個(gè)FLNG儲(chǔ)液艙的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行都是十分必要且有工程指導(dǎo)意義的。

本文的目的是采用實(shí)驗(yàn)方法在大尺度的八邊形液艙中，分別研究縱蕩、橫蕩和橫搖激勵(lì)下晃蕩砰擊載荷隨載液率的變化規(guī)律。此外，根據(jù)液艙晃蕩砰擊載荷的分布規(guī)律，提出不同激勵(lì)對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)的載液工況和最易受到?jīng)_擊的區(qū)域，為我國(guó)FLNG儲(chǔ)液艙的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用大比尺模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò) dSPACE控制系統(tǒng)在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)船體運(yùn)動(dòng)。在真實(shí)海況下，對(duì)于FLNG船采用單點(diǎn)系泊，橫搖、縱蕩及橫蕩三種運(yùn)動(dòng)是最容易發(fā)生的。因此模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也分別在室內(nèi)浮現(xiàn)這三種激勵(lì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)中控制系統(tǒng)模擬真實(shí)LNG船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的示意圖Fig. 1 Sketch of the experimental simulation according to realistic LNG shipping

液艙原型為法國(guó)GTT公司薄膜型NO 96液艙。為盡可能真實(shí)地反映液艙內(nèi)部晃蕩沖擊壓力的變化及規(guī)律，模型實(shí)驗(yàn)中采用1∶20的GTT三維模型。液艙材料為有機(jī)玻璃，長(zhǎng)1.864 m (L)，寬1.342 m (b)，高1.351 m (H)，艙壁厚度0.02 m，如圖2所示。液艙可以視為剛性。

圖2 不同運(yùn)動(dòng)模式下液艙晃蕩實(shí)驗(yàn)圖Fig. 2 Snapshots for different forced motions

采用陣列布點(diǎn)方式來(lái)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵位置的壓力變化。壓力傳感器的直徑為5 mm，量程為40 kPa。具體布點(diǎn)方式如圖3和圖4所示，通過(guò)多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄晃蕩沖砰擊壓力信息。

每種激勵(lì)方式下分別在9個(gè)液深開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究(每10%H為一個(gè)液深)。對(duì)每個(gè)液深，其一階自振頻率fo將通過(guò)Faltinsen等[8]給出的修正公式計(jì)

算。修正前矩形液艙頻率計(jì)算式和相應(yīng)的八邊形液艙修正系數(shù)分別為

(1)

(2)

圖3 壓力傳感器布局與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 3 Pressure transducers’ location and data acquisition system

圖4 傳感器布點(diǎn)示意圖Fig. 4 Sketch of pressure transducers’ position

表1 各種實(shí)驗(yàn)工況具體參數(shù)表

表2 1∶20 GTT橫搖及橫蕩實(shí)驗(yàn)頻率表

表3 1∶20 GTT縱蕩實(shí)驗(yàn)頻率表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)際共振頻率分析

由于八邊形液艙理論固有頻率目前并沒(méi)有較為準(zhǔn)確的計(jì)算公式，因此實(shí)驗(yàn)是依據(jù)Faltinsen修正公式計(jì)算的.但是其只對(duì)液艙下斜板進(jìn)行了修正，而上斜板仍按照矩形艙公式計(jì)算，因而在實(shí)驗(yàn)中實(shí)際晃蕩最劇烈時(shí)的頻率與理論計(jì)算會(huì)有偏差。對(duì)此，選擇橫蕩運(yùn)動(dòng)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知當(dāng)載液率為10%～20%或90%時(shí)，實(shí)際共振頻率比理論計(jì)算的共振頻率偏大，約為1.10fo；而當(dāng)載液率為30%～70%時(shí)，實(shí)際共振頻率比理論固有頻率偏小，約為0.95fo，如圖5所示。

分析原因：當(dāng)載液率低于20%時(shí)，液艙處于下斜板以下，沿著運(yùn)動(dòng)方向(橫向)上的長(zhǎng)度減小，頻率就會(huì)偏大；當(dāng)載液率高于80%時(shí)，液艙處于上斜板以上，橫向長(zhǎng)度減小，頻率偏大；中載液率時(shí)，因其特有的八邊形液艙結(jié)構(gòu)形式，流體到達(dá)上斜板時(shí)，大量波破碎，降低晃蕩劇烈程度，實(shí)際共振頻率也有所降低。通過(guò)分析可見(jiàn)，八邊形的儲(chǔ)艙設(shè)計(jì)可以有效避開(kāi)共振頻率從而起到抑制砰擊的作用。

圖5 橫蕩激勵(lì)下，實(shí)際晃蕩最劇烈時(shí)的頻率與理論計(jì)算的固有頻率之間的對(duì)比Fig 5 Comparison between experimental and theoretical resonance frequencies under forced sway motion

2.2 沖擊壓力時(shí)程分析

晃蕩過(guò)程中，自由液面以下與以上兩部分的沖擊物理現(xiàn)象有所區(qū)別。圖6所示為液艙不同位置的沖擊壓力時(shí)程曲線。在自由液面以下，主要為規(guī)則的雙峰形式，前一個(gè)波峰為沖擊所致，峰值較大，后一個(gè)波峰為慣性所致，峰值較?。欢谧杂梢好嬉陨?，主要為瞬間的沖擊峰，作用時(shí)間短，瞬時(shí)沖擊峰值較大，且具有強(qiáng)隨機(jī)性。

對(duì)9種不同載液率下的晃蕩物理現(xiàn)象分析可知，各載液率下，沖擊壓力較大的位置分布是有規(guī)律的：對(duì)于低載液率(10%～20%)，液體在下斜板附近形成行波，主要對(duì)下斜板上緣和側(cè)壁產(chǎn)生沖擊；中載液率(30%～60%)，水波首先沖擊自由液面稍高位置，隨后沿著側(cè)壁上爬，沖擊上斜板；高載液率(70%～90%)，液體對(duì)艙壁的作用主要是沿著上斜板，直接沖擊上斜板上棱邊和艙頂，對(duì)艙頂處的沖擊力較大。

圖6 三種激勵(lì)方式下典型的沖擊壓力時(shí)程曲線圖Fig 6 Pressure time traces under three forced motions

2.3 最危險(xiǎn)載液率估計(jì)

分析每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集到的沖擊壓力時(shí)程曲線，將每個(gè)周期的峰值壓力作統(tǒng)計(jì)可以得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沖擊壓力和平均沖擊壓力。對(duì)比不同工況下最大沖擊壓力值以確定不同激勵(lì)下的最危險(xiǎn)載液工況，從而為液艙安全運(yùn)行提供參考。

考慮到晃蕩載荷具有強(qiáng)隨機(jī)性，所以通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)周期最大沖擊載荷，取該序列的前1/10的平均值作為研究對(duì)象(p1/10)，進(jìn)行對(duì)比分析。晃蕩沖擊壓力隨載液率變化的關(guān)系曲線如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在橫搖激勵(lì)下，載液率為60%時(shí)，沖擊壓力最大，壓力可達(dá)39.06 kPa；在橫蕩激勵(lì)下，載液率為70%時(shí)，沖擊壓力最大，可達(dá)28.72 kPa；在縱蕩激勵(lì)下，載液率為60%時(shí)，沖擊壓力最大，可達(dá)44.02 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，60%～70%是該液艙最危險(xiǎn)的載液工況，應(yīng)該盡量避免在該載液率裝載。

2.4 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)建議

在最危險(xiǎn)載液工況下，通過(guò)研究平均沖擊壓力與對(duì)應(yīng)空間位置的關(guān)系，可以得到晃蕩沖擊壓力的空間分布，從而可以找到發(fā)生最大沖擊壓力的空間位置。

圖7 三種激勵(lì)，不同載液工況下，晃蕩沖擊壓力隨載液率的分布關(guān)系曲線及危險(xiǎn)載液率范圍示意圖Fig 7 Impact pressure versus filling level under three forced motions and the most serious filling rate

由于儲(chǔ)艙特殊的八邊形形狀，大部分危險(xiǎn)工況產(chǎn)生的最大晃蕩沖擊壓力多集中于上下斜板棱邊處及艙頂邊緣處，如圖8所示。模型艙在15%H和80%H處是液艙上下斜板的拐點(diǎn)，幾何形狀發(fā)生突變，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，在液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮在這些危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，防止液艙局部受到過(guò)大沖擊而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效。

圖8 三種激勵(lì)，不同載液工況下，液艙艙壁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域空間分布示意圖Fig 8 Distribution of the most severe areas for impact versus filling level under three forced motions

3 結(jié) 論

本文對(duì)超大型FLNG船液艙中的晃蕩砰擊問(wèn)題開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。在大尺度八邊形液艙中分別研究了橫蕩、縱蕩和橫搖激勵(lì)下晃蕩載荷的分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晃蕩沖擊壓力具有明顯的雙峰性質(zhì)，在自由液面以下由慣性載荷主導(dǎo)，在自由液面以上由沖擊載荷主導(dǎo)；模型液艙在給定三種激勵(lì)下最危險(xiǎn)的載液率為60%～70%；對(duì)艙壁沖擊最大的危險(xiǎn)位置分別為上下斜板棱邊及艙頂棱邊等艙形曲率變化較大的位置。超大型儲(chǔ)艙在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)避免在該危險(xiǎn)的載液工況下裝載。研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了加強(qiáng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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ExperimentalInvestigationofLiquidSloshingImpact
LoadinaLarge-ScalePrismaticTank

WEI Zhi-jun1， RUAN Shi-lun1， YUE Qian-jin1， XIE Bin2

(1.StateKeyLaboratoryofSturcutralAnalysisforIndustrialEquipment,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China; 2.CNOOCResearchInstitute，Beijing100027，China)

Liquid sloshing load is one of the key issues in the design of the cargo container system of the very large-scale floating liquefied natural gas (FLNG) facility. Experimental investigation on liquid slamming in a large-scale prismatic tank under sway, surge, and roll excitations is performed, aiming at the time history of slamming pressure, the distribution of the largest impact pressure and the most serious filling rates. A series of experiments in a large-scale prismatic model is carried out. Pressure sensor array is employed to record the variation of impact pressure. The experimental results illustrate that the value between 60%～70% is the most serious filling rate. Furthermore, the position with change of curvature along the bulkhead is found to be the most serious position for tank structure. The results are useful for the research and design associated with slamming load in prismatic tank.

sloshing load；large-scale model experiment; slamming pressure； excitation; the most serious filling rate

TE8

A

2095-7297(2014)01-0055-07

2014-01-23

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-006-06)、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(50921001)

衛(wèi)志軍(1985—)，女，博士研究生，主要從事超大型儲(chǔ)液艙內(nèi)晃蕩沖擊載荷及其抑制研究。