FLNG拖曳晃荡试验研究

苏仰旋，郑苗子，赵天奉，余　阳，段梦兰，时文斌

(中国石油大学(北京) 海洋油气研究中心，北京 102249)①



FLNG拖曳晃荡试验研究

苏仰旋，郑苗子，赵天奉，余阳，段梦兰，时文斌

(中国石油大学(北京) 海洋油气研究中心，北京 102249)①

在波浪等外载荷的影响下，FLNG液舱内的LNG(液化天然气)在运输过程中会产生剧烈的晃荡作用，对液舱舱壁产生冲击，这对船体及液舱结构的设计以及船舶拖航的稳定性提出了挑战。液舱晃荡与船舶运动的耦合作用是当前的研究热点，研究过程中模型试验的方法得到越来越广泛的应用。基于推板造波理论，设计并制作出一套单向推板造波系统，并按照1/300的缩尺比设计制作出FLNG及液舱模型，进行了模型试验。通过试验研究了载液率对液舱晃荡剧烈程度的影响效果，对匀速拖航过程中影响拖缆张力的部分因素进行了对比研究。研究结果可为后续相关研究工作提供基础。

FLNG；推板造波系统；拖航；试验

在研究液舱晃荡问题的过程中，主要有理论解析法、数值模拟法和模型试验研究等主流方法。Abramson、Faltinsen等人[1-3]的研究使线性模态理论、摄动理论、浅水波理论等得到广泛应用，拉开了液体晃荡研究的序幕。理论解析的数学方法可以得到较为准确的结果，但对于液面破碎、翻转等强非线性现象，以及振幅较大的复杂情况，其处理问题的过程会变得格外繁琐，结果也不甚准确。

利用计算机对晃荡进行计算流体力学(CFD)数值模拟，可以对多种复杂的晃荡情况进行分析。Zhao[4]等人对横浪、迎浪两种不同情况下的船体运动响应进行了数值模拟研究；Gou[5]采用边界单元法在时域和频域范围讨论船体运动和液舱晃荡耦合运动的问题，并和试验进行了对比，得到了较为理想的结果。

与理论研究及数值模拟相比，模型试验可以得到较为符合实际工况的结果，因而得到广泛应用。液舱内流体和船体运动的耦合方面的研究是模型试验的研究重点。Zhao[6]和蔡忠华[7]分别研究了船体运动方向以及液体固有频率对液舱晃荡的影响效果；祁恩荣等[8]对薄膜型液舱受不同外部激励时的晃荡压力进行了分析，为液舱的结构设计提供了试验依据。

在液舱晃荡的研究方面，对自由液面、液舱内部结构以及液舱晃荡与船体运动耦合方面的研究均有了一定进展，但在液舱晃荡现象对FLNG拖航过程的影响方面还缺乏相应研究。本文设计制作了单向推板造波系统，并通过模型试验研究了不同载液率对液舱晃荡现象的影响效果，研究了液舱晃荡现象对匀速拖航过程中的拖航阻力的影响，得出了具有参考意义的结论。

1　模型试验装置

1.1造波装置

1.1.1推板造波理论

推板式水池造波的原理如图1所示。z轴正方向为垂直向上，推波板与液面垂直。

图1　推板造波理论示意

设定目标波浪表达式，根据势流理论，对推板式造波而言，造波传递函数[9]为

(1)

ω2-k0dtanh(k0d)=0

(2)

综合以上公式，可以得到推波板运动表达式：

(3)

式中：h为波高；k0为波数；t为时间；d为静水水深；A为目标波浪的振幅；Ap为推波板行程；ω为目标波浪角频率；U为推波板运动的速度。

造波过程中，只要确定静水水深、波高、角频率等参数，就可根据式(3)对造波板的运动速度进行控制，从而制造出符合要求的目标波浪。

1.1.2造波系统结构

造波水池为长方形，长为10 m，宽2 m，高1 m。造波系统的机械装置可分为伺服丝杠运动平台、造波架、推波板3大部分。造波架采用结构尺寸小、刚度大、加工精度要求较低的框架结构，尽可能的减小惯性力的不利影响。伺服丝杠运动平台由CM35L-10单轴运动控制系统、伺服电机及驱动器等组成。

图2　造波系统整体结构

1.2FLNG及液舱模型

1.2.1模型缩尺比

本试验以韩国大宇造船海洋株式会社(DSME)建造的世界上第一艘FLNG装置为船模原型[10]，采用1/300的缩尺比进行模型的制作。

1.2.2模型结构设计

FLNG及液舱模型均利用有机玻璃制作，如图3所示。FLNG模型长1 m，宽0.2 m，高0.135 m；液舱模型长0.3 m，宽0.2 m，高0.12 m。

a　三维设计图

b　实物图3　FLNG模型

1.3拖曳装置

根据中国船级社2012年的《海上拖航规范》的要求，船舶类的拖航速度不应小于4 kn，拖缆最小长度应不小于船长的2倍。本模型采用1/300的缩尺比，拖航速度至少为0.007 m/s，拖缆最小长度为2 m。本试验进行0.06 m/s的匀速拖航，选定拖缆长度为4 m。

拖航过程中，交流电机提供拖航动力，拖缆绕过张力传感器进行张力的测量，并利用数字显示仪表进行数据的采集工作。如图4。

图4　FLNG拖航装置试验模型

2　模型试验

本文所进行的模型试验分为两大部分，一是研究匀速拖航状态下载液率对液舱晃荡的影响；二是研究液舱晃荡剧烈程度对拖航阻力的影响。

2.1波浪条件

《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234—2001)要求：模型的原始入射波，规则波波高不应小于2 cm，波周期不应小于0.5 s；规则波平均波高和波周期的允许误差在5%以内。本文选用周期3 s，波长0.6 m，波高0.08 m的规则正弦波进行模型试验。利用单向推板造波系统进行波浪的模拟，使用浪高仪对波浪参数进行测量，波浪参数如表1所示。模拟波浪的理论值与测量值出现的误差可能由伺服电机的响应速度、位置点的数量、测量误差等造成。模拟波浪精度可以满足模型试验的要求。

表1　模拟波浪参数值

2.2液舱晃荡试验

为防止流体产生剧烈晃荡现象，各大船级社对LNG薄膜型液舱载液率均提出严格要求[11-12]：满载航行的情况下，载液率不得低于70%；压载航行情况下，载液率不高于10%。

本文选择10%H，30%H，80%H3种不同的载液率进行模型试验。FLNG模型装载2个液舱，在波浪条件下对模型进行0.06 m/s匀速拖航，不同载液率下的晃荡情况如图5所示。

1)10%H载液率时，液舱内发生轻微的晃荡现象，液面有轻微波动。

2)当载液率达到30%H时，液舱内产生驻波，波面光滑，波浪冲击舱壁前以二维运动为主，晃荡达到一个较大值并对舱壁产生周期性的冲击。

3)载液率达到80%H时，晃荡的剧烈程度达到试验工况的最大值，三维效应的影响较大，流场非常复杂。晃荡对液舱舱顶及其与舱壁的连接处产生剧烈冲击。

a　10%H载液率

b　30%H载液率

c　80%H载液率图5　不同载液率下液舱晃荡情况

2.3拖曳试验

FLNG拖航过程中，外部波浪力以及内部的液舱晃荡现象均可能对拖航稳定性产生影响。本文在拖航速度、系拖点、波浪、水深等不变情况下，通过改变载液率、货物类型、波浪条件等使液舱内发生不同程度的晃荡，并在此基础上研究晃荡程度对拖航阻力的影响。

匀速拖航过程中，拖缆张力与拖航阻力大致相等，利用张力传感器对拖缆张力进行测量，并绘制出不同工况下拖航的张力-时间曲线，如图6所示。

本次拖曳试验在静水、正弦波浪2种不同波浪条件下进行匀速拖航试验，得出以下结论：

1)由图6中10%H，30%H，80%H载液率下的“水-波浪”工况的拖航阻力曲线可以看出，不同载液率下匀速拖航的拖航阻力稳定值由大到小排列为：80%H>30%H>10%H，此顺序与前文第2.2节得到的液舱晃荡剧烈程度一致。

a　10%H载液率

b　30%H载液率

c　80%H载液率图6　不同载液率下拖缆的张力-时间关系曲线

2)当液舱载液率一定时，不同的“货物种类-波浪类型”组合下得到的拖航阻力稳定值由大到小排列为：“水-波浪”>“黄沙-波浪”>“黄沙-静水”。根据试验现象，此拖航阻力值的大小与该工况下液舱晃荡的剧烈程度大小一致。

综合(1)、(2)，在本试验工况下，拖航阻力值可能受到液舱晃荡的影响，晃荡程度越剧烈，拖航阻力值越大。

3　结论

1)依据推板造波理论完成单向推板造波装置的设计、制作。以世界上第1艘FLNG装置为原型，根据1/300的缩尺比制作出FLNG模型，并进行了模型试验。通过模型试验分析了载液率、液舱晃荡现象、拖航阻力值之间关系。

2)波浪条件下，FLNG液舱内载液率不同时液舱晃荡程度不同，对液舱造成不同程度的冲击。

3)在一定工况下，液舱晃荡现象可能会对拖航阻力产生一定程度的影响。本试验工况下表现为拖航阻力值随着液舱晃荡程度的增加而增大。

4)液舱晃荡现象及其造成的拖航阻力增加使FLNG拖航稳定性有所降低。在FLNG实际拖航过程中，为减轻拖航过程中的功率消耗，增加拖航稳定性，建议采用固体货物进行压载，并合理选择载液率，避开较大风浪，提高工业生产的安全性。

5)本文未考虑其他外部因素对FLNG液舱内液体晃荡的影响。为了更准确地研究液舱晃荡对拖航阻力的影响效果，还需进行数值模拟及理论计算的综合研究。

[1]ABRAMSON H N.The dynamic behavior of liquids in moving containers[C].Washing-ton，D.C.：NASA SP-106，1966：467.

[2]FALTINSEN O M，TIMOKHA A N.Sloshing[C].Cambridge University Press，2009.

[3]Solaas F，Faltinsen O M.Combined numerical solution for sloshing in two-di-mensional tanks of general shape[J].J.Ship Res .，1997，41 (2)：118-129.

[4]ZHAO W H，HU Z Q，YANG J M，et al.Investigation on sloshing effects of tank liquid on the FLNG vessel responses in frequency domain[J].Journal of ship mechanics，2011(3)：227-237.

[5]GOU Y，KIM Y，KIM T Y.A numerical st-udy on coupling between ship motions a-nd sloshing in frequency and time domains[C]//ISOPE，Maui，Hawaii，USA.2011.

[6]ZHAO W H，YANG J M，HU Z Q，et al.Numerical and experimental investigation on hydrodynamic charac-teristics of FLNG with account of the inner-tank sloshing[C]//OMAE2011-49244，Rotterdam， The Netherlands.2012.

[7]蔡忠华，王德禹.液化天然气船液舱晃荡数值模拟与试验研究[J].上海交通大学学报，2009，43(10)：1559-1563.

[8]祁恩荣，庞建华，徐春，等.薄膜型LNG液舱晃荡压力与结构响应试验[J].舰船科学技术，2011，33(4)：17-24.

[9]文圣常，余宙文.波浪理论与计算原理[M].北京：科学出版社，1985.

[10]Sang-Woo Lee，Young-Woo Kwen，Young-Min Kim，et al.Introduction of Structural Design and Construction of FLNG[C]//ISOPE，Alaska，USA，2013：943-949.

[11]Sloshing assessment guidance document for membrane tank LNG operations[R].Lloyd’S Register，2009．

[12]Sloshing analysis of LNG membrane tank[R]．DetNo rske Veritas，2006．

Experimental Research on FLNG Towing and Sloshing

SU Yangxuan，ZHENG Miaozi，ZHAO Tianfeng，YU Yang，DUAN Menglan，SHI Wenbin

(OffshoreOil&GasResearchCenter，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Under the influence of the external loads such as waves，LNG (liquefied natural gas) in tanks may result in a dramatic sloshing during transportation，which has an impact on the tank bulkhead；and provides huge challenges to the design of the hull structure and ship towing.Coupling of tank sloshing and motion of the ship is a research hotspot，and model tests have been more widely used.This paper designed a piston-type wave maker and FLNG models in the scale of 1/300.The tests studied the intensity of sloshing under different liquid rates，and carried on a comparative study on various factors which could have influences on towline tension in the process of uniform towing.The experimental results can provide reference for engineering practice.

FLNG；piston-type wave maker；towing；testing

1001-3482(2016)09-0025-05

2016-03-23

苏仰旋(1993-)，男，山东济宁人，硕士研究生，主要进行海洋油气装备研究，E-mail：suyangxuan@163.com。

TE952

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.006