（水声工程专业论文）lng荡舱行为的数值模拟.pdf

l n g 荡舱行为的数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl n g s l o s h i n g a b s t ra c t ： l n g1 st h ea b b r e v i a t i 0 1 1o fl i q u e f i e dn a m r eg a s l i q u e f i e dn a t u r a lg a sb e c o m e sm o r e a n dm o g ep o p u l a ra 8ak i n do fh i g hc f l o r i f i op o w c l , c h e a pa n dc l e a ne n e r g ys 0 1 1 1 o e t h e r e q u i r e m e n to fn a t u r eg a sh a db e e nc o n t i n u o u s l ym o r e a s i n ga l lo v e rt h ew o r l d ，l n gi s s p e c i a l l yd e s i g n e da n db u i l tf o rt h et r a n s p o r t a t i o no fn a t u r eg a sw i t ht h el o wt e m p e r a t u r eo f 一 16 2 c i ti so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tc o n v e y a n c e si nn a t u r eg a s i n t e r n a t i o n a lt r a d e a n d l n gh a st h ec h a r a c t e r so fh i g ht e c h n o l o g y ，h i g hr i s ka n dh i g ha d d i t i o n a lv a l u e ，r e c e n t l y ， w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n ta n dt r a d em a g n i t u d e ，l n gi st e n d i n gt om a x i m i z a t i o nl i k e c o n t a i n e rs h i p s t h el a r g e s tl n g s h i ph a se v e rb e e nb u i l tw h o s ec a p a c i t yw a s2 6 60 0 0m 3 r e m a r k a b l y , s l o s h i n gw i l lh a p p e nw h e nl n g s u f f e r se x t e r n a ll o a dd u r i n gs a i l i n g b u t t h ep r e s s u r ef r o mi m p a c t i n gl o a d sc a u s e db ys l o s h i n gm a k e st h el i q u i dt e m p e r a t u r er i s ea n d i n d u c e sd a n g e r t h er i s kc a u s e db ys l o s h i n gb e c o m e sm o r es e r i o u s 鼬t h el n gm a x i m i z a t i o n h c a g eo f a na c c i d e n t , i tw o u l dt a k eg r e a tl o s so fl i f ea n dp r o p e r t y ho u ro o u n t r y ，r e s e a r t ha n dd e v e l o p m e n to fl a r g el n gh a sa l r e a d yb e g u n t h e a n a l y s i so fi m p a c t i n gl o a d sc a u s e db ys l o s h i n ga n dt h ep r e v e n t i o no fs l o s h i n ga r et h ec r u c i a l p r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e di nt h i ss t y l eo fs h i pd e v e l o p m e n t b u tt h er e s e a r c h e r si l it h i s a s p e c ta l ev e r yf e w t h ea n a l y s i sa n ds t u d yo nl n gs l o s h i n gi nl i q u i dt a n ka r eu r g e n t l y n e e d e dt ob es o l v e di no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，i ti sw - r yn e c e s s a l 二yt or e s e a r o ho nl n g s l o s h i n g i nt h i sp a p e r , ac o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c sa n a l y s i ss o a r e f l u e n t ，i su se dt o b u i l da2 dl i q u i dt a n kh y d r o m e c h a n i c sm o d e l s o l v et h es l o s h i n gp r o b l e mw i n lt h em e t h o do f t h et r i a n g l es o i l - s t r u c t u r e g r i d ，s e m i - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n s c o n s i s t e n t , v o fm o d e l ，r e a l i z a b l ek 一t u r b u l e n c em o d e la n dd y n a m i cg r i dt e c h n o l o g y u n d e rt h eg i v e ns h i vm o t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es l o s h i n gi nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so f l o a d i n gc o n d i t i o n s ， m o v e m e n tf r e q u e n c i e s ， a m p l i t u d e sa n dp r i n c i p l e d i m e n s i o n sa n d c o m p a r e st h er e s u l t sa tl a s t g e y w o r d ：l n g ；a n a l y s i so fs l o s h i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：f l u e n t 一1 i 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 复塾釜日期：k 星：! 丕! 型 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盘盘 导师签名：丝 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的研究背景、目的和意义 1 1 1 课题的研究背景 天然气是从地底油气田中开采获得的碳氢化合物和非碳氢化合物的混合气体。而液 化天然气( l n g ) 是通过制冷的方法在常压下将天然气冷却至1 6 2 ( 2 左右变成的液体。 通过制冷液化后的l n g 成为含甲烷( 9 5 以上) 、乙烷( 4 左右) 和少量丙烷、丁烷的低温 液体能源产品。 近年来，随着国际石油价格的不断攀升以及环境污染问题的日益严重，天然气作为 一种相对经济而且环保的替代能源的地位日益凸现，消费量也急剧增长。世界能源专家 普遍认为2 1 世纪是天然气的世纪，全球天然气的需求将从目前2 6 万亿m 3 增加到2 0 2 0 年4 9 万亿m 3 。预计2 0 4 0 年世界天然气供应量将超过石油和煤炭，所占能源比例将从 2 0 0 1 年2 4 7 上升到2 0 4 0 年5 1 。从而液化天然气的海上运输工具l n g 船的需求也将 显著增加【。据统计，到2 0 0 0 年1 月1 日为止，世界l n g 船保有量为1 1 8 艘，1 1 5 艘 在航。到2 0 0 5 年底，l n g 船已达1 9 6 艘，年均增长速度为9 。而l n g 的运输量增多， 像集装箱船大型化一样l n g 船也有大型化的趋势。7 0 年代中期一般容量以1 2 5 万m 3 的为主流，9 0 年代是1 3 7 万m 3 ，到了2 0 0 0 年开始从1 4 5 万m3 建造到了2 l 万m 3 ，现 在已经开发到2 5 万m 3 2 】。 随着v l c c ( 超大油轮) 、f p s o ( 浮式生产储油轮) 、l p g ( 液化石油气) 、l n g 的装载 量越来越大和需求量的不断增加，载液船舶的海运安全性问题逐渐被人们所关注。这类 液货船在航行过程中，不可避免地会遭遇恶劣的环境并由此发生摇荡运动。不但要经受 波浪引起的载荷，还要承受因船舶摇荡引起的液体晃荡载荷。当船体在波浪中运动的频 率与液舱内液体振动的固有频率相近时，舱内液体将会发生剧烈的运动，此时液体对液 舱结构产生严重的冲击。这种冲击持续时间短，压力幅值高，很可能造成液舱的结构破 坏。在航行中，液体晃荡而使船舶丧失稳性或局部结构损坏的事例曾多次发生。不仅液 体的泄漏会造成有害化学物质对海洋环境的污染，而且可燃性液体会引发大火或爆炸 3 1 ， 从而造成严重的生命和财产损失。 因此液舱晃荡引起的载荷己成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一，对晃 荡载荷的研究也成为船舶结构动力学的一个热点。 l n g 荡舱行为的数值模拟 1 1 2 课题的研究意义 从2 l 世纪以来，世界造船业的格局发生了重大的变化。随着我国船舶工业的崛起， 初步形成了与日韩“三足鼎立”的态势，中国船舶工业占世界市场份额从6 提高到近 2 0 ，成为了名副其实的世界造船大国。船舶工业造船能力、科技实力和国际竞争力不 断增强，与日韩之间的差距大幅缩小，打破了上世纪9 0 年代以来日韩垄断造船业的局 面。但是在高技术高附加值船舶领域上，赶不上韩国、日本。想成为世界造船强国，必 需在这个领域上有所突破。 自主研发、设计和制造l n g 船，能综合代表我国的设计、工艺、制造水平，在造 船业有很重要的意义，同时也促进了相关产业的技术进步。而液化天然气作为绿色能源。 将使我国进口大量的液化天然气，能用自行建造的l n g 船来承运液化天然气，可以更 好的利用能源。 在我国大型l n g 船的自行研制开发己经起步，液舱晃荡的冲击载荷的确定及晃荡的防 止是这类船型开发中的亟待解决的关键课题。而在造船界进行液舱晃荡这方面研究的学 者并不多。在我国，对于l n g 船进行液舱晃荡分析与研究具有非常迫切的要求，因此 对l n g 船进行晃荡性能研究是十分必要的。本论文的工作是希望能够为我国今后进行 l n g 船体结构力学研究方面提供一些参考依据。 1 2 液舱晃荡研究现状 晃荡( s l o s h i n g ) 是指液体在有限域内由自由表面的波动所引起的整个液体的运动。例 如航行中的l n g 、l p g 及原油货轮、飞行中的火箭液体燃料舱、地震时核反应炉和水库 等。液体晃荡是非常复杂的流体运动现象，表现出很强的非线性和随机性。 1 2 1 国内外研究概况 晃荡研究最初是在航空航天和核工业领域里进行的。a b r a m s o n ( 1 9 6 6 ) 首先应用线性 势流理论，对柱形和球形容器内的液体晃荡现象作了分析，以预测由晃荡引起的动压对 燃料箱内结构的影响。他还通过实验，来验证数学模型，了解几何、物理变量对自由表 面运动的影响情况。a b r a m s o n 的研究工作拉开了人们对液体晃荡研究的序幕。 而过去在船舶领域上，人们对液货船的晃荡以及其它船的压载的液体晃荡现象并未 给予充分的注意。自由液面的影响只是考虑对船舶稳性的影响，并采用静力学的办法加 以简单的修正。1 9 9 0 年，美国政府向海洋环境保护协会o v m p c ) 建议所有新建油轮必须 为双壳体。在1 9 9 2 年第3 2 届m e p c 会议上，采纳了这一提案：油轮要么采用双壳体， 大连理工大学硕士学位论文 要么采用相应的取代结构，如设置中甲板。这种要求对阻止船舶某种程度上的破坏而导 致原油泄漏造成海洋环境污染起到了积极作用，但同时也带来了许多新问题，如舷侧动 舱( w i i l 触) 结构设计、强度分析等，特别是载荷的确定。由于这些原因，晃荡问题再度 成了热门的研究课题。 经过几十年的发展，已经形成了三大类的研究方法，理论研究、实验研究和数值计 算。早先对晃荡的研究主要采用实验方法，接下来的理论研究基本上是建立在势流假设 的线性解、应用摄动法展开至高阶的非线性解，以及等效摆力学模型等效弹簧质量模型 的基础上的。由于理论研究方法适用范围的限制，自7 0 年代开始各种数值方法相继被提 了出来。常用的数值计算方法最主要有：有限元法( f e m ) 、有限差分法删) 和边界元 法( b e m ) 。下面是国内外研究者对以上三种方法所做的研究成果。 m a t s u u r a 4 等利用部分装满水的矩形舱对某一海洋结构物做了试验，以验证由水体 晃荡引起的水动力粘性影响。 新开明二 5 等对矩形舱作了一系列模型试验，舱中设置各种隔板，对液舱作纵振荡。 f a l t i n e n 8 等应用模态理论研究了矩形液舱不可压缩无旋流体的二维非线性晃荡，得 出了一些结论。 刘泽民 7 讨论了任意形状容器中不可压缩粘性流体的晃荡问题，采用任意拉格朗日 欧拉有限元方法，引入一个参考域，得到了任意的运动描述。 n a k a y a m a 和w a s h i z ur s - 1 用流体有限元法计算了势流的晃荡问题。 瞥江红 9 等人用a l e ( 任意拉格朗日一欧拉) 有限元法模拟了粘性流体的大幅晃动。 m i l k e l i s t 1 0 j 等人和荒井诚j 用m a c ( 标记点) 法对二维液舱晃荡问题进行了计算， 随后荒井诚又在三维里进行了模拟。 沈国光 1 ： 利用m a c 法模拟了矩形容器内一层和两层流体由水平激振所引发的晃 动。 朱仁庆 1 3 采用v o f ( 流体体积) 法，数值模拟了盛液容器内液体的二维晃荡。 f a l t i s e n 1 s 用边界元法计算了矩形容器的液体晃荡，用了精确的非线性自由表面条 件，引入人工粘性克服瞬态项的影响。 1 2 2 液舱晃荡研究方法 晃荡是液体在容器内的运动，许多年来对晃荡问题已经获得了很多的研究成果，形 成了行之有效的研究方法。而晃荡问题的高度非线性，给求解带来很大的困难，有很多 问题目前仍没有得到很好的解决，需要大量的研究工作。目前研究方法上可以分为理论 研究方法、实验方法和数值模拟方法三种。 l n g 荡舱行为的数值模拟 1 2 2 1 理论研究 早期的研究中，由于理论水平、计算技术和对问题的局限，所研究的对象比较简单， 常常将结构做刚性的假设，而将注意力集中于对液体晃动特性的研究上。接下来的理论 研究主要有等效摆力学模型和势流理论( 等效弹簧质量模型) 等。等效摆模型主要应用 于理想流体小幅晃荡的分析计算中。势流理论适用于容器形状简单，液体粘性较小( 水、 液化气等) ，流体运动幅值不大，液位较高的情况。 1 2 2 2 数值模拟 近年来随着计算机技术的飞速发展，数值方法在晃荡问题中得到了广泛应用。主要 的数值计算方法有：有限元法、有限差分法、边界元法、随机选择法 1 6 。 ( 1 ) 有限差分法( f d m ) 有限差分法就是将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解 域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分 求解的一种方法。在处理具有自由液面的液体晃荡时，最常用最为有效的两种算法为 m a c 法及v o f 法。 m a c 法即标记点法( m a r k e rja n dc c l lm e t h o d ) 是在自由面上设置一组无质量的标 记点，这些标记点随流体运动。凭借这些标记点，不同介质之间的界面( 包括自由液面) ， 可以明显表示出来。m a c 法适用于求解不可压缩、粘性流体带自由液面运动的问题， 甚至可用来描述波的破碎。三十多年来经学者们的探索和研究，m a c 法不断得到改进 并广泛应用到各种带自由面的流动问题。v o f 法( v o l u m eo f f l u i d m e t h o d ) 是另一种模拟 带自由液面流体运动的方法。其基本思想来源于m a c 法，但引入了流体体积分数f 的 概念。 m a c 法与v o f 法相比，两者各有其优点。m a c 法能直观反映出流动情况的前后变化， 特别适合于求解工程结构附近流动问题，因为这一类问题希望了解物体附近流动变化。 v o f 法由于无需在自由表面上设置标记点，从而计算容量可以大大减少，另外改进后的 v o f 法引入了部分单元参数概念，从而可以处理不规则形状的边界问题。 ( 2 ) 有限元法( f e m ) 有限元法，就是采用变分原理或拟变分原理将连续体( 流场) 分割成一些连续小区 域( 单元) ，在每个单元上满足一定的平衡关系，然后组合所有单元满足相应的关系进 而求解的一种方法。这种方法最初用于固体力学，解决结构和固体连续小变形问题， 并大多采用拉格朗日描述，现在也应用到了计算流体力学上来了，已有学者将拉格朗日 大连理工大学硕士学位论文 和欧拉有限元法用于求解可变形容器中液体晃荡问题。但在研究流体问题时，有限元 法不如有限差分法普遍，主要原因是： 有限元法应用到固体力学中，都是用的对称算子，而流体力学中的对流算子是 非对称的，因而需有新的技术来处理这一问题。 有限元法在应用高阶元等算法后，比其它方法有更高的精度，但处理复杂问题 时需要更多的内存和机时，从而很不经济。 有限元法在处理诸如不可压这样的运动时常表现出显著的计算复杂性，甚至出 现奇异。 ( 3 ) 边界元法( b e m ) 边界元法又称边界积分法，用于三维晃荡问题是近年米的事。与有限元法和有限差 分法相比，最大特点是：只需在边界上求解，这样就可以将三维问题化为二维问题，二 维问题化为一维问题，这大大减少了未知数个数。边界元法是7 0 年代由英国s o u t h a m p t o n 大学c a b r e b b i a 等人首创，但在流体力学中的应用还不普遍，主要在势流方面获得较 多应用。由于其解决问题的范围有限，边界元法有待进一步发展和完善。 边界元法的缺点是：不能用于计算容器顶部的冲击压力，而这对结构设计来说确 是至关重要的。 ( 4 ) 随机选择法 随机选择法对不连续流动现象的分析十分有效。而上述三种( f d x t f e m , b e m ) 方 法一般对自由表面为非线性的情况进行分析。随机选择方法实际是利用抽样法 ( s a m p l i n g ) 将局部r i e m a a 问题的理论解一起叠加而得到全部解的一种方法，开始用在甲 板上浪问题的研究。 1 2 2 3 实验研究 尽管各种数值计算方法已经提了出来，且在某些方面获得很大的成功，但实验研究 是研究晃荡问题的一个重要手段。为了验证数值分析结果，为实际设计应用提供经验性 的修正因子，研究者已做了系列的试验。晃荡模型试验主要研究容器的几何特性，水深， 外激励形式等对晃荡的影响。实验研究的主要结果有自由表面起伏、流场速度分布、流 线和箱壁上压强分布等。 1 3 本论文的研究内容 随着科技的发展，对工程结构的要求越来越高，结构设计需要考虑的因素也越来越 多，特别是l n g 船这种高难度、高附加值以及高安全性的船舶，更是要对结构件的设 计全面考虑各种关键影响冈素。 l n g 荡舱行为的数值模拟 本论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 论文对液舱的晃荡分析采用了一种准确有效的仿真模拟方法，并建立了晃荡液 舱模型。 ( 2 ) 利用所建立的液体晃荡数值计算方法，对l n g 液舱晃荡特性进行数值模拟计 算。 ( 3 ) 分析l n g 船的晃荡性能上特点，讨论诸参数( 如频率、液位、幅值) 对晃荡 行为的影响。 由于液体晃荡本身是一个极为复杂的流体运动现象，其呈现出的现象有待进一步研 究和分析。因此本论文只是从一个角度做一些探讨性的工作，具体计算时仅考虑了二维 运动的数值模拟。 大连理工大学硕士学位论文 2l n g 船及液舱晃荡概况 2 1l n g 穷台概况 l n g 船是在1 6 2 c 低温度下运输天然气而设计建造的专用船舶，是一种高技术、高 附加值的船舶。其制造工艺和技术体现了当今世界造船工业的最高水平，世界上只有少 数几个国家具有建造l n g 船舶能力。 2 1 1l n g 船简介 l n g 船是天然气进行国际问贸易最重要的运输工具。1 9 5 9 年，m e t h a n ep i o n e e r 号 从美国l a k ec h a r l e s 向英国c a n v 呵岛运送了5 0 0 0 1 7 1 3 的液化天然气，这是由杂货船改 装的世界上第一艘l n g 船，也是液化天然气的第一次海上运输。 这类船舶目前的标准载货量在1 2 - - 一1 5 万m3 之间，其航速大约为1 7 - 2 0 节( 大型油 轮多为1 4 1 6 节) ，使用寿命一般为3 5 一4 0 年。l n g 船的货舱是独立于船体的特殊构 造。货舱选取在1 6 2 仍具有延展性的材料。在运输时并不将l n g 装满整个货舱，一 般液体容景占整个储罐的9 6 9 7 ，每个货舱留给气化的天然气体积至少有8 0 0 m3 。大 型l n g 船的吃水在1 1 米左右，水面以上的高度大约1 5 米，这样就使人能够看见更长 的船长和高度，因此l n g 船看起来比一些 v l c c 还大。l n g 船如果需要增加货物容量， 通常采用增加船长而不是增加船宽的设计方式。 l n g 在航行过程中，舱内外的温差会导致汽化蒸发。因此在早期船舶设计中，汽 化的l n g ( 简称b o g ，b o i l o f f g a s ) 被设计用作船舶的燃料，但同时按照i g cc o d e ( 国 际散装运输液化气体船舶构造和设备规则) 要求船舶配备其他燃料( 如燃油) 作为补充。 l n g 船在返航中，舱内保留少量的l n g 用来保持舱内温度和用作返航过程中的燃料。 l n g 船配备高膨胀泡沫系统、干粉灭火系统、感温、感压气体泄漏探测系统等专 门的设施预防可能发生的液体溢出和火灾等潜在危险。l n g 船的货物处理系统主要用 于货物的装卸，同时保持货舱的适宜温度，并将b o g 送到主锅炉。l n g 船液货舱的周 围需要有惰性气体保护层来保持惰化，但独立式球型液货舱除外，它的四周可以使用空 气干燥，但需要有连续监测的货物泄露探测系统，以便保证泄漏时能采取办法是船舱惰 化。 鉴于天然气的特性，对l n g 船的设计主要考虑的因素是：能适应低温介质的材料， 对易挥发易燃的处理，低比重的储存能力。按国际燃气规范，对适用- 1 6 2 的设计温 度的货舱须选用9 的镍钢、奥氏体钢( 不锈钢) 、铝合金、奥氏体铁一镍合金( 3 6 的 l n g 荡舱行为的数值模拟 镍钢) ，当l n g 货舱泄漏时须保证物料1 5 天内不外溢，需设置第二防漏隔层，因为l n g 船运输距离不论有多远，不会超过1 5 天，在此期间即可回船厂维修，故l n g 船货舱为 双层壳体，以防l n g 泄漏，保护船体；对易挥发易燃的处理，利用l n g 挥发气作船 舶动力的燃料。l n g 货舱的外壳须绝热，以控制l n g 挥发速率及控制由温度变化而引 起的热胀冷缩，保护船体构造不受货舱的低温的损害，同时以减少运输过程中l n g 的蒸 发，对绝热性能要求达到控制日蒸发率0 。1 5 以下。 2 - 1 2l r g 船结构型式及优劣 不同种类的l n g 贮罐系统有着不同的外型、材料和结构。目前l n g 船液舱系统有 薄膜型、独立球型和s p s 型，应用最广的是前两种。 ( 1 ) 涔膜型液舱 薄膜型l n g 船主要使用法国g t t 专利公司的t e d m i g a z ( 波纹型货舱内壁) 系统 和g a z - t r a n s p o r t ( 平板型货舱内壁) 系统两种。初期的t e o h i g a z 系统一m a r ki 系统选用 1 2 m m 厚带有波纹的不锈钢作为主屏壁，波纹的作用是吸收热胀冷缩的影响。支撑主屏 壁的绝热物是两层胶合板夹着分层的西印度轻木板条构成的，次屏壁是内层胶合板。为 降低绝热厚度，后来又研制了m a r k 系统，它是由聚氨酯泡沫加胶合板构成的次屏壁 由带有玻璃纤维的铝销片层构成。而初期的g a z - t r a n s p o r 系统是用o 。5 r a m 厚的殷钢作 为主屏壁，主绝热物是填有2 0 0 r a m 厚珍珠岩的层压板箱，层压板箱的另一面再铺同样 的0 5 r a m 厚的殷钢作为次屏壁，次屏壁外仍然是填有2 0 0 r a m 厚的珍珠岩的层压板箱。 目前选用的g a z - t r a n s p o r 系统，也称之为g t 9 6 ，它选用0 7 r a m 厚的殷钢和填充了膨胀 珍珠岩( 经过渗硅处理，做到不透水和潮气) 的加固层压板木箱作为绝热层 1 7 。 薄膜型液舱从外到里依次为外部双壳、内部双壳、外薄膜、低温隔热材料和内薄膜。 l n g 船航行时，海水和货物之间的距离至少为2 m ，通常是3 - 4 m 。薄膜型液舱形式如图2 1 所示。 优点：采用高价合金和大量绝热材料，但只需非常少的低温材料； 主绝热层的质量小，在较短时间内能用少量的液化天然气便可将液舱冷却； 能有效地利用舱容及船舶空间，舱与内壳之间所需惰气量小，建造费用低； 建造中不需要大量大型起重机装设主层，主层的装设对其它工作的干扰最小： 缺点：如果压载舱处结构损坏，水将通过绝热层渗透到次屏蔽，修理困难耗资巨大： 易受液体运动带来的损坏，尤其是半载时和空载时： i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 舱的薄壁不能抵抗冲击负荷： 剥薄膜舱进行结构分析实际不可能只能根据实验估计舱的可靠性 圈2 lc 丌型货舱口式 f 1 9 2 1n | c l n g t e n ko f c t t - t y p cl n gs h 十 l n g 荡舱行为的数值模拟 ( 2 ) 独立球( m o s s ) 型液舱 m o s s 型，即独立球型液货舱是由挪威的m o s sr o s c i l b c r g 公司开发，其舱体选用耐 低温的铝合金或含镍9 的厚钢板为舱体材料、绝热材料选用聚氨酯泡沫。液货舱与l n g 船的船体部分是相互独立的，被安装在船壳内，可以自我支撑货物荷重其重量，它通过 固定在船体上的圆柱形裙板支持。因此，热胀冷缩所引起的破坏不会直接传递到船壳上。 液货舱内液体荷重不是直接作用在隔离材料上，而是作用在支撑液货舱的部件上。这样 就要求支撑结构具有较大的强度和较好的隔离性。 由于货舱内货物产生的壳体薄膜应力是均匀分布的，所以没有应力集中现象。舱内 圆柱型裙板有足够的弹性，可以吸收货物进出造成的热胀冷缩等变形。在设计中能够进 行高精确的应力分析，因为球形舱和圆柱形裙板具有轴向对称的简单外形和结构。选用 滴盘和防溅板构成的部分次屏壁，能够保证即使在发生碰撞时，l n g 的泄露量可维持较 低。m o s s 型液货舱形式如图2 2 所示。 优点：球型舱仅需要部分次屏蔽，对绝熟要求也不严格： 形状简单易于进行结构分析： 由于没有内部加强材，制造技术简单； 铝合金结构牢固，只要不发生直接碰撞， 液面晃动效应少，不受装载限制： 安装简单，能单独建造并缩短施工周期， 检查质量容易，安全性好； 不会损伤； 初期投资较少； 如果货泵坏了，容易对舱加压，以保证紧急卸货。 缺点：船舶的空问利用率低，为在低舱容利用率的球体内装相同数量的货物，需要 加大船舶尺度或提高液舱高度，提高了i i i i 费用； 船舶重心较其它船高，稳性差； 球型舱上盖影响驾驶台了望，还可能增加保险费。 船舶有较大的尺寸，甲板有大开口，甲板结构不连续，应力集中点多： 操纵困难，特别是在甲板上部受风面积大。 大连理工大学碰士学位论文 图22m o s s 球型货月 形式 f 镕2 2t h 。l n g r a n ko f m o s 8 一 c l n gs h i p i n g 荡舱行为的数值模拟 ( 3 ) 自撑式棱( s p b ) 型液舱 s p b 型，即自撑式棱型液货舱的l n g 船是日本石川岛播磨重工独立开发的技术。它 将数个四角形铝槽放在船舱内，储气槽放在甲板下。内壁采用1 6 0 的5 0 8 3 - 0 铝合金， 绝热材料采用稳定的聚氨基甲酸酯泡沫发泡板，并用玻璃板加强。外壁与保护层之间留 有探测气体和气体溢出用的狭小空间。板与板之间用柔性接头连接。独立角型罐用支撑 块和制动垫块固定在船内，舱的上下方向载荷由支撑承受，纵向和横向的移动由制动垫 块承受。液舱与船内壁留有较大空间，液舱中部设有防止液体流动的隔壁。s p b 型液货 舱形式如图2 3 所示。 优点：液货舱的中部设有防止液体流动的隔壁，故不存在晃动问题，装载和液位也 不会受到限制； 液舱与船内壁留有较大空间，便于检查液舱外部，维修容易，也易于安装： 由于甲板是平又没有大的结构物，故承受的风压较小、桥楼上的视野好、 容易操纵，因此，提高了航行的安全性； 上甲板平面宽，管道敷设可不受制；液化装置和压缩机等大型设备布置容易： 船体外为双层结构，提高了船体的强度； 角型罐为独立结构，这对防碰撞和防触礁有利； 设计时，其安全性由准确的有限元分析及实验确认，是它的最大优点。 图2 3s p b 型货舱形式 f i g2 3t h el n g t a n ko fs p b - t y p = l n gs h i p 大连理工大学硕士学位论文 由于在早期的l n g 海运中m o s s 型船舶占有较大优势，而且具有货物装载限制较 少等使用操作上的优点，目前处于优势地位，总数居第一位，占到一半以上。但是，新 的l n g 船舶订单，薄膜型占据了三分之二。从总体上看，薄膜型l n g 船舶，在船型性 能方面优于m o s s 型，是l n g 船型的发展方向。但是它的建造周期长。下面的表2 1 对三种液舱模式的进行了简单的比较i l 9 】。 表2 1 三种液舱模式的比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no f 3l i q u i dc a b i nm o d e 2 1 3l n g 船国内外技术发展现状 1 9 6 4 年，建造了世界上第一艘l n g 船，当时吨位很小，技术不成熟。之后l n g 船 的建造水平不断提高，有能力建造l n g 船的国家也逐渐增多。7 0 年代，形成了以挪威 的m o s s 球罐式和法国的g t 和t g z 两种薄膜形式的l n g 船，舱容最大也就1 2 5 万 m 3 左右。而这时建造i _ , n g 旁兀1 口刀订1 厂主要被欧美国家所统治，如挪威的m o s sr o s c n b 既- g 、 法国的大西洋船厂、美国的g dq u m o y 船厂等。8 0 年代，最初日本川崎重工首先引进 了m o s s 型，率先成功地建造了多艘l n g 船，接着三井造船、三菱重工业也引进m o s s 型并开始建造。而船舱容量仅增大到1 3 万1 1 13 左右，建造l n g 船的船厂开始被日本取代。 9 0 年代初，日本的n k k 船厂引进t g z 型，i h i 船厂开发了s p b 型液货舱形式的l n g l n g 荡舱行为的数值模拟 船。这时l n g 船的建造基本被日本船厂所垄断了，而且m o s s 型占绝对多数。到了9 0 年代中期，韩国开始崛起，韩国现代重工成功地建造了韩国第一艘m o s s 型l n g 船。1 9 9 5 年韩进重工的第一艘g t 型l n g 船建造完工，随后大宇重工引进了g t 型，三星重工引 进了t g z 型。这样就形成了韩国以薄膜型为主和日本以m o s s 型为主的两大格局。目前， 韩国、日本建造的l n g 船已约占世界船队的数量一半。 1 9 9 4 年是一个转折点，上世纪九十年代末，法国g t t 公司并购了另一家薄膜型液 舱专利公司t g z ，从而形成了薄膜型专利技术为法国g t t 公司垄断的局而，而两种薄 膜型专利技术分别发展到了g tn 0 9 6 和m a r ki i i ，在此基础上，g t t 公司结合两种薄 膜型技术特点，开发出新型液舱维护系统c s - l ，法国的大西洋船厂目前是唯一建造该 种技术l n g 船的船厂。法国g t t 公司希望以三种不同的薄膜型液舱技术形成世界各主 要船厂不同船型竞争的局面。 就目前，l n g 船的技术看来，主要的技术竞争在m o s s 球罐型和薄膜型两种船型 之间展开。两种l n g 船型的孰优孰劣，在上个世纪九十年代末争论很大，总的来说， 两种船型在技术上都是成熟的、在营运安全上都是可靠的，但是技术特点各有千秋。表 2 2 是两种l n g 船型的主要对比分析 2 0 j 。 表2 2 薄膜型l n g 船与球罐型l n g 船对比 t a b 2 2t h ec o m p a r i s o no f m c m c b c r a n c - t y p ea n dm o s s o t y p cl n g s h i p 大连理工大学硕士学位论文 l n g 荡舱行为的数值模拟 船舶寿命 港口费 苏伊士运河费 维护费 压载舱内壳修理 建造成本比 3 0 一4 0 年以上 底 底 一般 困难、较费时问案 1 0 0 4 伊一5 0 年以上 高( 相差约o 1 万美元视港口要求) 高( 相差约1 - 2 万美元一次通过) 略低 容易 1 0 6 一一1 1 0 从目前市场上已投入运营的船舶情况及各l n g 船建造船厂的手持订单情况看， l n g 船的技术发展呈现以下几个特点： ( 1 ) 薄膜型液舱技术占主导地位 经过几十年的竞争，特别是以韩国大宇、三星为代表的薄膜型船的建造企业的努力， 使薄膜型船可以灵活地适应大型化发展趋势及初投资相对较小，占用船厂资源较少的优 势逐步体现出来，薄膜型船的市场份额迅速扩大。目前在航船舶1 8 5 艘船中采用m o s s 球罐技术和薄膜型技术的船只数量大致相当，各占5 0 ，而在世界各造船企业手持订单 的1 2 0 艘船中，m o s s 型只有不到4 0 艘，薄膜型超过了7 0 艘，市场份额明显倾向于薄 膜型船。原先建造的m o s s 型船厂纷纷转向薄膜型船建造或者选择退出l n g 船建造领 域。可以说，到目前为止，薄膜型技术相对于m o s s 型球罐技术已取得了商业上的竞争 优势。而球罐型液舱技术由于极其高的可靠性、安全性及不受晃荡效应影响的性能很有 可能在海洋工程方面得到应用。 ( 2 ) 日益大型化趋势 l n g 船的发展历程是不断向大型化发展的过程。上世纪八十年代到九十年代初， 第一艘球罐型船成为标准船型，即1 2 5 万立方米船型，其后标准化的船型的载货量增加 大连理工大学硕士学位论文 到1 3 万立方米、1 ：3 8 万立方米、1 4 5 万立方米、1 5 5 万立方米等。目前权威机构的统 计结果显示：在航的1 8 5 艘l n g 船舶中，标准装在量在1 2 - 1 4 万立方米有1 4 0 艘，占 绝对多数；在建的手持订单船舶约1 3 0 艘中，标准装载量在1 4 1 6 万立方米的船舶有9 l 艘，明显比在航船舶的装载量增加，同时，主要先进l n g 船建造船厂，主要是韩国船厂 纷纷开展更大型船舶的开发工作，如：1 6 万立方米电力推进船、2 0 万及以上的新船型 开发等等。 ( 3 ) 推进系统多样化 l n g 船由于所装载的低温液货在运输途中会产生挥发气( b o g ) 的特点，长期以来 推进方式采用蒸汽透平推进。由于蒸汽透平推进采用了双燃料锅炉提供过热蒸汽驱动透 平透平的推进方式，在挥发气的处理和船舶航行的经济性得到一定程度的结合以及较高 的可靠性和容易维护的特点，这种推进方式与液舱技术一样成为l n g 船的大技术特 点，作为成熟技术在l n g 船而得到广泛应用，目前在航的l n g 船a o o 采用蒸汽透平推 进。 进入本世纪后。随着船舶大型化，运输距离不断加大，更多的船舶公司加入到l n g 运输业务中等因素的影响，特别是能源价格日益提高，对l n g 船营运经济性的日益重视， 使人们对常规的蒸汽驱动技术提出疑义，产生了各种新型的( b o g ) 的问题，对b o g 不 同的处理方案就对应了不同的推进方式的选择，根据国际上的发展现状。以下几种推进 形式在实际应用上取得不同进展：双燃料柴沛机电力驱动；低速柴油机与再液化装置联 合应用；燃气透平电力驱动技术的应用。 国内l n g 船的技术跟踪和开发工作始于一i - _ 世纪九十年代中期。1 9 9 5 年法国g t t 公司且i j 访问当时的大连造船新厂推广其薄膜型液舱技术，1 9 9 7 年大连造船新厂于欧洲 m a s a 船厂建立友好船厂后m a s a 船厂向大连新船重工介绍了其i , n g 船业务，并提供了 部分技术资料，船厂开始对l n g 船的技术开展跟踪了解。 本世纪初，随着国内经济的发展，能源问题日益突出，选择天然气等清洁能源越来 越成为人们的共识。广东进口l n g 项目有力地推动了国内l n g 船开发，主要船厂包括： 沪东中华、大连新船重工、江南集团等纷纷实际地开展l n g 船的开发工作，并不同程度 地取得了进展，国内l n g 船开发工作全面展开。 从技术发展现状看，国内尚处于l n g 船开发的初步阶段，主要的技术来源于国外 自身对船型开发的关键技术并不掌握，也不具各自主开发能努力，在技术上还处于受制 于人的状态。从国内所具备的建造能力看，目前国内只有沪东中华初步具备了年产两艘 l n g 船的能力，相对于国内“十一五”已规划的l n g 接受项目的用船需求和国内造船 企业进入国际市场的需求而言，国内造船能力严重滞后于发展的需要。 l n g 荡舱行为的数值模拟 2 2 液舱晃荡概况 2 2 1 晃荡载荷特性 液体晃荡是非常复杂的流体运动现象，具有强烈的非线性和随机性。影响晃荡的因 素有很多，可以总结为猷下几种： ( 1 ) 船体运动周期及幅值：它取决于船体装载、航行区域的海况、航行航速等。 ( 2 ) 流体的振动周期：它取决于液货舱的几何形状及尺寸、舱内液体装载深度、 大幅流体运动的非线性效应等。 ( 3 ) 内部构件的阻尼效应：内部构件的存在在抑制晃荡方面有一定作用。 ( 4 ) 流体的粘性：粘性对流体的流动影响很小。在较低的冲击载荷下发现流体有 较大粘性，但目前还没有确定的研究结论说明流体粘性对冲击的持续时间或对结构响应 结果的影响程度。 ( 6 ) 气体的气垫效应：若流体与结构之间存在气体，那么在流体晃荡的过程中气 体被压缩，起到了一种“缓冲 作用，成为气垫效应。由于气垫的存在，晃荡冲击压力 的幅值有所下降，但作用的持续时间加长了。所以，气垫效应对结构响应的作用不能一 概而论，还要决定于特定的结构及冲击载荷。 晃荡波有以下几种形式，一般来说，我们看到的舱内流体的晃荡是下面几种形式的 组合。 驻波( s t a n d i n gw a x ，e ) - 当液体深度与液体晃荡方向的特征长度之比值大于0 2 时易发 生驻波。这种波一般会对舱顶产生冲击。 行波( t r a v e l i n gw a v c ) 这种波一般发生在液体深度与液体晃荡方向的特征长度之比 值小于0 2 时。行波一般对两端的舱壁产生冲击。 水跃( h y d r a u l i cj u m p ) - 可以看出是行波的一种特殊形式，它的发生与液体与舱的振 动周期的相对值有关。 涡旋( s w i r l i n g ) - 液体在舱内的旋转运动。 晃荡产生的动压力可分为两种类型，脉冲压力和非脉冲压力。脉冲压力是液体拍击