大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運動研究現狀及展望*

韓旭亮 謝 彬 朱小松 王俊榮

(1.中海油研究總院 北京 100028；2.中國石油大學(北京) 北京 102249)

大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運動研究現狀及展望*

韓旭亮1,2謝 彬1朱小松1王俊榮1

(1.中海油研究總院 北京 100028；2.中國石油大學(北京) 北京 102249)

對FLNG應用背景進行了介紹，指出了液艙晃蕩和船體耦合運動是FLNG面臨的關鍵問題之一，并分別從圍護系統選型、模型試驗技術和數值模擬技術方面對液艙晃蕩和船體耦合運動研究現狀進行了總結分析，探討了試驗技術研究的特點和數值模擬技術的應用范圍，并對大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運動下一步的研究方向提出了建議。

FLNG；液艙晃蕩；耦合運動；圍護系統；模型試驗；數值模擬

浮式液化天然氣生產儲卸裝置FLNG是一種用于海上天然氣田開發的浮式生產裝置，通過系泊系統定位于海上，具有開采、處理、液化、儲存和裝卸天然氣的功能，并通過與液化天然氣船搭配使用，實現海上天然氣田的開采和運輸。利用FLNG進行深水氣田開發結束了采用管道運輸上岸的單一模式，避免了深水鋪管的難題，既節約了成本，也為邊際氣田開發提供了靈活配置、經濟有效的方案。隨著天然氣供應緊張和相關應用技術逐步成熟，FLNG概念的工程化已被眾多能源公司所接受，但是目前世界上尚未有FLNG正式投產使用。2011年5月荷蘭Shell公司與三星重工及Technip公司簽訂建造全球第一艘FLNG合同，該Prelude FLNG預計2017年投產，用于澳大利亞西北天然氣田。馬來西亞國家石油公司分別與大宇造船海洋和三星重工簽訂建造PFLNG1和PFLNG2合同，計劃2016年底和2018年分別用于Kanowit和Rotan氣田作業。國內南通惠生重工也在為國外Exmar公司建造年產50萬t的駁船型FLNG。中海油研究總院與多家科研院所及高校合作，從“十一五”期間開始以南海某深水氣田為目標，針對FLNG裝置開展系統研究，并取得階段性研究成果。同時，我國工業和信息化部在2015年10月30日正式發布的《中國制造2025》重點領域技術線路藍圖中已明確提出將FLNG等新型海洋油氣資源開發裝備列為重點產品。

雖然FLNG船仍處于設計、建造階段，但是潛在風險值得分析，須借鑒LNG運輸船的典型海損事故對其特有的風險因素進行分析，即液貨系統故障分析。液艙內低溫液體在船體運動過程中對艙壁結構的沖擊作用是導致液體泄漏的重要原因，比較典型的LNG運輸船事故有：由于低溫液體劇烈沖擊液艙，Polar Alaska、Arctic Tokyo和Catalunya Spirit均在液艙的內薄膜或角點多處發生變形或受損，EI Paso公司12.9 萬m3的LNG運輸船在外界波浪運動頻率和艙內低溫液體晃蕩頻率接近時加重了艙內低溫液體晃動，造成了艙壁破損液體泄漏。大型FLNG船不能自航，長期停泊外海，無法避免惡劣海況作用，連續生產作業時內部液艙會經歷各種裝載情況，無法按照LNG運輸船的指導規定使艙內液體低于10%或者高于70%，因此，FLNG船的液艙會比LNG運輸船更易受到晃蕩的影響。FLNG船體運動激勵液艙內低溫液體產生晃蕩，同時液艙內低溫液體的晃蕩產生的力矩會改變FLNG船體的運動性能，兩者相互作用存在耦合關系。不同裝載工況的艙內低溫液體晃蕩可能與FLNG船體運動發生共振響應，從而引起船體劇烈運動并造成較大傷害，降低了船體穩定性，進而引起上部甲板液化裝置的失效，極端情況下將引起船體事故。由此可見，液艙晃蕩和船體水動力耦合運動的整體水動力特性是保證FLNG裝置安全運行的重要問題。

本文圍繞大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運動這一具體并迫切需要解決的問題，借助于試驗技術和數值模擬技術，對液艙晃蕩和船體耦合運動問題進行總結分析，以期為我國FLNG船的設計提供理論依據和技術支撐。

1 圍護系統選型

圍護系統的主要作用是將超低溫的LNG與船體結構隔離并實現保冷存儲，通過絕熱材料保持所裝載的LNG處于液態，避免并保護船體結構直接承受低溫貨物的影響。目前LNG圍護系統的主要型式為SPB棱柱型液艙、MOSS獨立球型液艙和GTT薄膜型液艙[1]。FLNG裝置的圍護系統除達到常規LNG運輸船的要求外，還應當滿足的條件有：FLNG裝置需要平整、寬闊、大的甲板面積提供足夠的空間來布置生產模塊、管系、設備等，還要充分考慮每組模塊支墩的數量、支撐位置、船體變形量與結構加強等；貨艙裝載率不受限制的工況下能抵御惡劣海況下的液艙晃蕩沖擊載荷；可靠的長壽命設計，可以有效降低停產風險；易于作業現場進行檢驗和維護。目前對于LNG產能大于100萬t/a的FLNG，滿足上述特點且技術成熟的圍護系統主要有GTT薄膜型液艙和SPB棱型液艙[2]。為了使艙內裝載高度不受限制，并降低FLNG裝置圍護系統受到的液艙晃蕩沖擊載荷，GTT薄膜型液艙采用雙排艙設計。2種FLNG圍護系統的橫剖面如圖1所示。

從圖1可以看出，GTT薄膜型貨艙的縱向和橫向設有雙層隔離艙壁，圍護系統區域的船體強度較好，且中縱隔離艙壁可為上部模塊支墩提供較好的支撐；而SPB型貨艙中間無縱艙壁，橫向為單層，圍護系統區域的船體強度偏弱，且上部模塊支墩跨距較大，自身的設計強度要求較高。GTT薄膜型液艙受艙內液體晃蕩影響比較嚴重，船體運動可能會導致艙內劇烈晃蕩，從而在艙壁產生非常大的沖擊載荷，但雙排艙設計可以有效減弱液艙晃蕩沖擊載荷對圍護系統的影響；而SPB型圍護系統不存在晃蕩問題，不需限制載液率。GTT薄膜型圍護系統面臨加熱系統的限制，而SPB型圍護系統過度依賴IHI，絕緣層的安裝存在風險。可見，GTT薄膜型圍護系統和SPB型圍護系統都滿足FLNG裝置的要求并各有優缺點(表1)。結合建造成本和國內自主建造能力等方面綜合考慮，GTT薄膜型圍護系統具有較明顯的優勢。因此，建議FLNG裝置采用GTT薄膜型圍護系統。

圖1 FLNG圍護系統的橫剖面Fig.1 Transverse section of containment system for FLNG

表1 GTT薄膜型和SPB型貨物圍護系統對比Table 1 Comparison of containment system between GTT and SPB

2 模型試驗技術研究

2.1 液艙晃蕩模型試驗研究

由于晃蕩現象具有較強的非線性，如波浪破碎、波面翻轉和氣泡效應等，而這些特殊的物理現象對晃蕩沖擊載荷研究又至關重要，但目前數值模擬技術水平有限。因此，借助模型試驗可以真實復原液艙晃蕩復雜水動力現象，并對晃蕩物理現象和艙內沖擊載荷進行深入研究。液艙晃蕩模型試驗主要通過大噸位運動平臺來模擬船體運動。早期的模型試驗主要集中于矩形或者球型單自由度規則激勵的晃蕩試驗研究。隨著試驗技術的不斷提高，在室內利用六自由度運動平臺模擬船體運動變成了現實。表2給出了目前國內外擁有先進的多自由度運動液艙晃蕩試驗平臺的對比情況，利用這些平臺都可以精確實現規則和不規則的單自由度和多自由度耦合運動的模型試驗。從2012年開始，多所研究機構參與了一系列矩形標準試驗[3-4]，旨在對比分析相同運動激勵在不同運動平臺下的復現情況，以及六自由度運動平臺實現方式和精度對晃蕩載荷的影響。

表2 多自由度運動液艙晃蕩試驗平臺對比Table 2 Comparison of multi DOF motion sloshing test platform

如何才能使液艙晃蕩模型試驗和原型具有較好的相似性，是目前許多學者研究的熱點。Bass等[5]通過模型試驗分別討論了流體黏性、液體壓縮率、氣體壓縮率、氣穴效應和表面張力等參數對載荷相似性的影響,結果表明影響相似處理的主要影響因素是氣體和液體壓縮率，而不是流體黏性和表面張力。Yung等[6]通過典型矩形艙晃蕩試驗給出了沖擊載荷、生成時間、沖擊速度和加速度、力和力矩等模型和實物的相似準則。Kimmoun等[7]在試驗中發現壓力變換系數是λ0.5，而不是Yung等[6]認為的λ。多次試驗表明，液艙晃蕩模型試驗除了受Froude系數主導外，還受到其他參數影響，諸如時間和空間對艙內液體晃蕩壓力的影響、艙內氣液密度比的影響以及艙內氣液交互作用的影響等都會導致比例尺還原系數不夠明確，因此模型試驗與全尺度試驗結果間的差異還有待今后進一步研究。

由于液艙晃蕩小尺度模型試驗得到的晃蕩載荷存在縮尺比效應，近年來也有相關學者進行了全尺度原型試驗。這類試驗雖然尺度上與實際液艙相同，且能直觀地展現液艙內晃蕩的劇烈程度和得到晃蕩產生的沖擊載荷，但是實船中液艙晃蕩是長期時歷過程而不是單次的砰擊作用，因此全尺度原型試驗對液艙運動及真實晃蕩過程還不能完全等效模擬，僅能模擬波浪對艙壁的單次砰擊過程并測量砰擊壓力。由Marin和GTT等單位聯合進行了全尺度原型試驗Sloshed[8]，如圖2所示。該試驗詳細研究了晃蕩壓力、氣穴、波浪飛濺等特性，并對晃蕩載荷與彈性結構的流固耦合問題也進行了初步研究。通過這些試驗可以發現局部晃蕩壓強與液體拍擊壁面的形式有關，但是它們對墻體的載荷總體相當。

圖2 液艙晃蕩全尺度原型試驗[8]Fig.2 Full scale prototype test of liquid tank sloshing

2.2 液艙晃蕩和船體耦合運動試驗研究

與常規船舶不同，FLNG船帶有載液艙室，在模型試驗中無法保證所有的相似準則數都相同，通常保證Froude數相等。許多學者通過模型試驗研究液艙晃蕩和船體耦合運動問題，并對開發的數值計算方法進行了計算驗證。Molin等[9]對帶有2個部分充液的矩形液艙的駁船在不規則波作用下的橫搖運動進行了模型試驗(圖3)，重點研究了液艙大幅晃蕩運動和不同艙頂(平板和倒角)距艙內液面高度的非線性影響，結果表明：隨著海況增加，液艙晃蕩非線性效應顯著；橫搖運動第2個峰值逐漸減小至變平緩，并向低頻方向移動，但是艙頂和艙內液面之間的氣穴并不因為艙頂撞擊數量和強度而有所不同，這說明第2個峰值的降低可能與內部耗散關系不大，更主要是由于艙內液面的非線性特性引起的。但是，這些結論是否適用于其他自由度、液艙形狀、浮體形狀還需進一步研究。Nam等[10]進行了雙液艙FLNG船耦合運動的模型試驗，研究了不同裝載下液艙晃蕩對船體整體運動響應及艙內流體壓強的影響(圖4)，發現液艙內自由水面非線性對船舶運動響應影響較大，且運動幅值和波浪幅值并非呈線性關系；而艙內液體壓力與船型、液艙形狀、波浪頻率和幅值等有關。中海油研究總院和上海交通大學合作[11]進行了多液艙FLNG船耦合運動的模型試驗(圖5)，研究了固體和液體多種載況下液艙晃蕩和船體耦合運動的響應情況，結果表明液艙晃蕩對FLNG船的橫蕩和橫搖運動影響嚴重，且低液位裝載比高液位裝載在相同外界激勵下更易引起較嚴重的晃蕩響應。該試驗也證實了液艙內液面運動幅值和入射波幅呈非線性關系，并提出了在液艙內安裝浪高儀測量艙內液面變化的試驗技術。

可見，液艙晃蕩和船體耦合運動水池模型試驗的振動方式由單自由度逐漸趨向于多自由度聯合耦合激勵，集中研究其非線性問題，但多數研究對象為液艙晃蕩和剛性船體的耦合運動，忽略了液艙晃蕩對船體結構強度、振動破壞形式等方面的影響。目前試驗研究僅局限于模型試驗，經濟成本過高、不受尺度效應影響的實船試驗還未開展。

圖3 帶液艙駁船橫搖運動的模型試驗[9]Fig.3 Model test for roll motion of liquid tank barge

圖4 雙液艙FLNG船耦合運動的模型試驗[10]Fig.4 Mdoel test of coupling motion of FLNG with double tanks

圖5 多液艙FLNG船耦合運動的模型試驗[11]Fig.5 Mdoel test of coupling motion of FLNG with multi-tanks

3 數值模擬技術研究

3.1 液艙晃蕩數值模擬研究

液艙晃蕩的數值模擬方法大體可分為勢流理論方法、CFD (Computational Fluid Dynamics)有網格方法和CFD無網格方法等3種，各方法優缺點見表3。勢流理論方法包括基于勢流理論的線性解析方法[12]、非線性復合模態方法[13]、非線性邊界元方法[14]和非線性有限元方法[15]等，是在流域邊界上配置一組奇點，通過配置點上的邊界條件求解相應奇點上的未知量封閉方程組，求出流域各點處的速度勢和速度。與其他方法相比，勢流理論方法的最大特點是計算速度快，求解精度高，但是難以處理流體黏性效應，盡管引入了人工黏性阻尼[16]，仍無法模擬艙內波面發生翻轉和破碎等強非線性現象的晃蕩問題。CFD有網格方法是基于求解不可壓縮Navier-Stokes方程的MAC (Marker-and-cell)[17]、ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)[18]、VOF (Vloume of Fluid)[19]和Level Set[20]方法等，基于歐拉網格將流場離散可以模擬液艙的劇烈晃蕩，但是生成網格困難且耗時，且液艙晃蕩的非線性現象模擬受網格影響較大，易因幾何大變形而失敗。CFD無網格方法包括無網格的SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)[21]、MLPG (Meshless Local Petrov-Galerkin)[22]和MPS (Moving Particle Semi-implicit)[23]方法等，與前2種方法相比，該方法不依賴網格，適合處理艙內液面發生翻轉和破碎等大變形的強非線性問題，但是在計算效率、流場壓力預報精度[24]和未確定參數等方面尚需進一步研究。可見，數值模擬技術可以較好模擬液艙晃蕩問題，但還不能完全模擬該現象，其精度還有待進一步提高，需要耗費較多的計算時間才能獲取較好的數值分析結果。

表3 液艙晃蕩數值模擬方法優缺點對比Table 3 Advantages and disadvantages comparison of numerical simulation methods for sloshing

3.2 液艙晃蕩和船體耦合運動數值模擬研究

起初有關液艙晃蕩和船體耦合運動的研究較多是基于頻域勢流理論進行數值模擬[25-26]，頻域理論的前提條件是液艙晃蕩的波動頻率與外界波浪的激勵頻率相同。但是研究發現，液艙晃蕩并非是外界單頻激勵引起的波動，還包括液艙自身固有頻率的振蕩，所導致的船體耦合運動并不滿足頻域理論的單頻假設，很可能存在誤差[27]。雖然艙內液體會發生劇烈晃蕩，但液艙穩定后的運動仍將保持線性運動特征，其運動頻率與外界波浪的激勵頻率相同，液艙內流體晃蕩所產生的高頻諧波作用力將被系統過濾掉。因此，頻域理論適用于液艙晃蕩和船體耦合運動的穩態響應分析[28-29]。

外流場船體運動引發艙內液體晃蕩，而艙內液體晃蕩反過來也會影響船體水動力，兩者相互作用嚴重影響整體水動力性能。非線性液艙晃蕩的模擬已經相當耗時，再耦合非線性船體運動后必將大大增加計算負擔，所以強非線性劇烈晃蕩和船體耦合運動的時域數值模擬是一個挑戰，需要選擇合適的非線性數值模型進行簡化。近年來，許多學者從時域理論角度對液艙晃蕩和船體耦合運動非線性問題進行了不同數值模擬方法的研究。表4給出了當前液艙晃蕩和船體耦合運動數值模擬方法的研究發展方向。

表4 液艙晃蕩和船體耦合運動數值模擬方法的研究方向Table 4 Research direction for numerical simulation of the liquid sloshing and hull coupling Motion

從表4可以看出，液艙晃蕩和船體耦合運動數值模擬方法的發展方向大致分為4類。第1類，基于勢流理論采用脈沖響應函數(Impulse response function,IRF)的間接時域方法計算船體運動，對于艙內液體基于勢流理論采用非線性方法模擬艙內液體未發生翻轉或破碎情況的晃蕩問題[30-32]，相比CFD方法，其計算效率較高，具有工程使用價值。第2類，基于勢流理論采用間接時域方法計算船體運動，對于艙內液體基于CFD采用Fluent[33-34]、OpenFOAM[35-36]或者SPH[37]方法模擬液艙非線性晃蕩。前2類中都涉及到IRF方法，即在頻域中計算船體本身的水動力系數、穩態水動力及平均漂移力，通過傅里葉變換將頻域水動力系數轉為時域脈沖響應函數，進而在時域內建立液艙晃蕩和船體耦合運動方程。該方法涉及到較多人工參與和高頻計算不準確問題，但其計算效率遠高于直接時域方法，仍然為分析液艙晃蕩和船體耦合運動的實用方法。前2類都集中于研究液艙晃蕩的非線性問題，未考慮船體外流場非線性的影響。實際上，在外界激勵頻率接近液艙晃蕩固有頻率時，即使外界入射波高較小，也會由于共振導致液艙晃蕩和船體產生大幅運動。第3類，基于勢流理論采用時域格林函數方法，考慮船體濕表面瞬時變化計算外流場船體運動，對于艙內液體基于勢流理論采用非線性方法模擬晃蕩[38]。研究發現，液艙晃蕩非線性對耦合運動的影響最大，船體濕表面變化非線性影響次之，且非線性水動力對耦合運動穩態響應幅值有較大影響。第4類，在內、外流場都是基于CFD方法模擬液艙晃蕩和船體耦合運動[39]，但是計算代價較高，效率較低。

4 研究展望

由于液艙晃蕩和船體水動力耦合運動的整體水動力特性是保證FLNG正常安全生產運行的關鍵問題，因此，今后有必要對以下幾方面進行深入研究，以期為研究FLNG液艙晃蕩和船體耦合運動的水動力機理提供更可靠的依據。

1) 確定最佳的尺度效應。通過對目前液艙晃蕩模型試驗結果的研究發現，液艙晃蕩模型試驗都會滿足Froude相似，但是比例尺還原系數不是很明確，還受到諸如時間和空間對艙內晃蕩壓力的影響、氣液密度比的影響以及氣液交互作用的影響等，無法獲得實際液艙所受的載荷。因此，還需要尋找并開展遵循不同相似原則的模型試驗，并對試驗結果進行比較分析，以確定最佳的尺度效應，實現模型試驗和實尺度試驗的最小差異化。

2) 建立滿足真實條件的試驗。試驗能夠真實復原展現艙內液體晃蕩復雜水動力物理現象，得到艙內液體晃蕩產生的沖擊載荷。但是一般的試驗很難滿足真實的FLNG液艙晃蕩的要求，只是在尺度上與實際液艙相同，而激勵形式和艙內液體運動都與實際情況存在差異，且試驗中未能采用真實的LNG進行試驗，往往不能滿足低溫條件。因此，反映FLNG液艙晃蕩真實條件的試驗還有待今后進一步驗證研究。

3) 開展液艙晃蕩和船體水彈性響應研究。液艙晃蕩和船體耦合運動的振動方式趨于多自由度聯合耦合激勵，通常仍假設研究對象為剛體，然而大型FLNG屬于大尺度海洋結構物，存在相關水彈性問題。船體結構在外界波浪激勵作用下會產生變形，需要考慮液艙晃蕩和彈性大尺度船體相互之間影響；而且艙內液體晃蕩沖擊壓力也會使得液艙結構發生變形，影響艙內液體的運動情況。這方面工作難度較大，尚處于空白。

4) 建立液艙晃蕩和船體耦合運動的理論模型。從液艙晃蕩和船體耦合運動數值模擬方法的4類研究方向可以看出，數值模擬方法在該問題中已得到比較廣泛的應用，可以較好地模擬和處理液艙晃蕩和船體耦合運動問題。但是目前理論模型主要是基于部分非線性理論，數值模擬結果與試驗結果存在差異，還不能完全真實地模擬求解該問題，數值分析方法的精度還有待進一步提高。因此，有必要建立液艙劇烈晃蕩和船體大幅運動的強非線性理論模型，使得數值模擬更接近實際問題。

5) 提高液艙晃蕩和船體耦合運動的數值模擬效率。提高計算效率始終是數值模擬中的重要問題。液艙晃蕩和船體耦合運動的機理和特性非常復雜，液艙晃蕩的模擬已然相當耗時，再將它和船體水動力相互作用，計算量勢必大大增加。因此，還需要簡化或者改進相關理論模型，提高液艙晃蕩和船體耦合運動的數值模擬效率。

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(編輯：呂歡歡)

Status and outlook of research on the coupling motion between liquid sloshing and the hull body of large FLNG

HAN Xuliang1,2XIE Bin1ZHU Xiaosong1WANG Junrong1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Upon the introduction to FLNG application background, it is pointed out that the coupling motion between liquid sloshing and the hull body is one of the most serious problems for FLNG.The research status of the coupling motion between liquid sloshing and the hull body is summarized and analyzed, mainly concerning the selection of containment systems, model tests and numerical simulation technology.The characteristics of the experimental technology and the application of the numerical simulation technology are discussed.Finally, some suggestions are put forward for the directions of future research on the coupling motion.

FLNG; liquid sloshing; coupling motion; containment system; model tests; numerical simulation

*國家自然科學基金“南海惡劣海況下FLNG船體運動與液艙晃蕩耦合分析方法研究(編號：51609267)”、“十二五”國家科技重大專項“大型FLNG/FLPG、FDPSO關鍵技術(編號：2011ZX05026-006)”、中海油研究總院自立課題“深水油氣田開發工程技術協同創新(編號：2016-KJZC-013)”部分研究成果。

韓旭亮，男，博士后，2015年畢業于哈爾濱工程大學并獲博士學位，現主要從事深水浮式結構物總體性能研究工作。地址：北京市朝陽區太陽宮南街6號院 (郵編：100028)。E-mail：hanxl9@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)01-0116-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.018

韓旭亮,謝彬,朱小松，等.大型FLNG液艙晃蕩和船體耦合運動研究現狀及展望[J].中國海上油氣，2017,29(1)：116-123.

HAN Xuliang,XIE Bin,ZHU Xiaosong,et al.Status and outlook of research on the coupling motion between liquid sloshing and the hull body of large FLNG[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):116-123.

TE835

A

2016-05-18 改回日期：2016-07-20