本文關(guān)鍵詞：FLNG系統(tǒng)儲艙設(shè)計中的晃蕩與砰擊荷載研究

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【摘要】：適用于深、遠海油氣田,集開采、液化、儲存、裝卸、運輸和氣化天然氣的新型開發(fā)模式,受到工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。隨著我國南海油氣開發(fā)向超深水發(fā)展,新型開發(fā)模式有著廣泛的應用前景。海上浮式液化天然氣終端(Floating Liquidfied Natural Gas, FLNG)是新型海上天然氣開發(fā)模式中的關(guān)鍵裝備之一,集開采、液化、儲存與裝卸天然氣功能于一體。目前尚未有建成的FLNG,只有少數(shù)國外公司具備設(shè)計和制造的能力,我國需要發(fā)展FLNG的設(shè)計和建造技術(shù)。本文系統(tǒng)地開展了超大型船載儲艙內(nèi)晃蕩砰擊荷載、液艙設(shè)計及抑制砰擊載荷的研究。本文所開展的主要研究工作及結(jié)論歸納如下：1 FLNG大尺度儲艙內(nèi)流體砰擊荷載室內(nèi)實驗方法研究室內(nèi)大尺度晃蕩模型實驗是最能真實反映砰擊物理過程的研究方法。由于液體和氣體均具有可壓縮性,導致砰擊壓力瞬時增大,因此,實驗研究中如何準確地測量砰擊載荷是關(guān)鍵問題。本文建立了FLNG大尺度儲艙晃蕩模型實驗平臺,設(shè)計了不同形狀的大尺度液艙模型(矩形艙和GTT艙)；給出了大尺度儲艙流體晃蕩砰擊壓力測量方法,并驗證了砰擊荷載測量方法的精確性和可靠性；根據(jù)砰擊載荷在時域和空間域的分布特性,設(shè)計了壓力監(jiān)測陣列式模塊測量砰擊載荷。上述研究為大尺度儲艙內(nèi)流體砰擊荷載模型實驗中壓力傳感器的選擇和測點布局提供參考。2 GTT儲艙內(nèi)模型尺寸對砰擊載荷影響的實驗研究目前國內(nèi)外尚沒有針對模型的尺寸對流場砰擊的物理現(xiàn)象和砰擊特征物理參數(shù)的系統(tǒng)研究。此外,室內(nèi)模型實驗中的一個挑戰(zhàn)是如何將模型實驗結(jié)果合理地換算到原型尺度。許多學者認為晃蕩室內(nèi)模型實驗中采用弗勞德相似將模型砰擊載荷結(jié)果返算回原型尺度,結(jié)果偏保守。但是尚沒有實驗證明這個觀點。本文開展了GTT儲艙內(nèi)尺寸效應的實驗研究。討論模型尺寸對砰擊的物理現(xiàn)象和砰擊荷載的影響,進而驗證了流體砰擊荷載實驗中,采用弗勞德相似準則將模型砰擊載荷結(jié)果換算到原型尺度,結(jié)果是偏于保守的。3二維矩形液艙內(nèi)的晃蕩砰擊荷載實驗研究針對二維矩形液艙內(nèi)的晃蕩砰擊荷載開展了系統(tǒng)的實驗研究。在規(guī)則橫搖激勵下,分析了外激激勵參數(shù)對砰擊荷載的影響,并提出砰擊荷載具有飽和性。基于長期不規(guī)則激勵下的砰擊荷載實驗,討論了砰擊荷載的特性。根據(jù)砰擊荷載發(fā)生的概率,確定對應的砰擊壓力值和其對應的砰擊特征時間,量化砰擊荷載的三角脈沖模型。該載荷模型可以為大型船載天然氣液艙的結(jié)構(gòu)開展有限元分析時,提供砰擊荷載參考依據(jù)。4 GTT NO96型液艙的設(shè)計研究根據(jù)GTT NO96型液艙的概念設(shè)計原則,基于前兩章的研究工作,從降低晃蕩荷載的角度,采用數(shù)值仿真方法對單個液艙的形狀和尺寸開展設(shè)計研究�；谧罴压战穷愋秃妥罴压战俏恢�,提出一種新的液艙設(shè)計方案。該液艙不僅滿足降低晃蕩荷載的要求,而且滿足艙容的要求。為了盡可能避免液艙內(nèi)流體的晃蕩砰擊,應保證自由液面的最低階固有頻率能夠遠離船體運動的頻率�；谶@個原則,本文提出了單艙主尺度的合理尺寸范圍和最佳尺寸。5高固體率隔板的阻晃機理研究在淺水大振幅橫蕩工況下,開展了晃蕩砰擊抑制問題的實驗研究。通過觀察液艙內(nèi)的全局自由液面的變化,發(fā)現(xiàn)了一種新的波系。其發(fā)生條件是小激勵周期比率和大振幅。該波系擴展現(xiàn)有的淺水條件下儲艙內(nèi)自由液面的波浪形態(tài),為液艙內(nèi)阻晃隔板設(shè)計提供了新的受力形式。此外,通過實驗方法揭示了高固體率阻晃隔板可有效地降低自由液面波高并抑制砰擊荷載的內(nèi)在機理,并提出阻晃隔板的最優(yōu)固體率約為0.6-0.7。該最優(yōu)固體率在阻晃隔板設(shè)計中具有參考價值。本文研究結(jié)果和結(jié)論對于更全面地認識流體砰擊及其抑制的內(nèi)在機理,更好地為超大型FLNG儲艙和儲艙內(nèi)阻晃隔板的設(shè)計等方面具有指導意義。
【關(guān)鍵詞】：晃蕩與砰擊載荷 大尺度液艙 晃蕩模型實驗 液艙設(shè)計 阻晃隔板
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U674.38;U663.85
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• CONTENTS12-16
• 圖目錄16-21
• 表目錄21-23
• 主要符號表23-24
• 1 緒論24-45
• 1.1 研究背景和意義24-27
• 1.1.1 研究背景24-25
• 1.1.2 研究意義25-27
• 1.2 GTT N096儲艙設(shè)計的關(guān)鍵力學問題27-28
• 1.3 儲艙內(nèi)流體晃蕩砰擊的理論和數(shù)值研究概述28-33
• 1.3.1 理論研究概述30-31
• 1.3.2 數(shù)值研究概述31-33
• 1.4 儲艙內(nèi)流體晃蕩砰擊的實驗研究概述33-42
• 1.4.1 現(xiàn)場實驗研究概述33-35
• 1.4.2 原型實驗研究概述35-36
• 1.4.3 室內(nèi)模型實驗研究概述36-42
• 1.5 晃蕩砰擊的抑制42-43
• 1.6 本文的研究工作和論文結(jié)構(gòu)43-45
• 2 大尺度儲艙內(nèi)流體砰擊荷載室內(nèi)實驗方法研究45-81
• 2.1 引言45-46
• 2.2 大尺度儲艙半物理子結(jié)構(gòu)模型實驗方法46-47
• 2.3 大尺度儲艙流體晃蕩砰擊荷載實驗系統(tǒng)47-58
• 2.3.1 儲艙模型48-50
• 2.3.2 動平臺50-53
• 2.3.3 實驗工況53-57
• 2.3.4 采集系統(tǒng)57-58
• 2.3.5 實驗步驟58
• 2.4 大尺度儲艙流體晃蕩砰擊壓力測量方法研究58-76
• 2.4.1 壓力傳感器的靜態(tài)響應58-61
• 2.4.2 壓力傳感器的動態(tài)響應61-74
• 2.4.3 不確定性分析74-76
• 2.5 壓力傳感器的布置方式76-77
• 2.6 數(shù)據(jù)分析方法77-80
• 2.7 小結(jié)80-81
• 3 砰擊荷載室內(nèi)模型實驗尺寸效應研究81-104
• 3.1 引言81
• 3.2 模型實驗的相似性81-85
• 3.2.1 相似準則81-82
• 3.2.2 量綱分析82-84
• 3.2.3 流體力學問題中的相似準數(shù)84-85
• 3.3 砰擊荷載模型實驗中的尺寸效應實驗85-89
• 3.3.1 實驗模型85-87
• 3.3.2 監(jiān)測設(shè)備87-88
• 3.3.3 實驗工況88-89
• 3.4 單次砰擊的實驗結(jié)果89-98
• 3.4.1 運動的流場89-92
• 3.4.2 砰擊壓力92-98
• 3.5 長期簡諧砰擊的實驗結(jié)果98-103
• 3.5.1 砰擊率的對比98-99
• 3.5.2 砰擊特征時間的對比99-100
• 3.5.3 砰擊壓力峰值的統(tǒng)計性對比100-103
• 3.6 小結(jié)103-104
• 4 二維矩形液艙內(nèi)流體砰擊荷載實驗結(jié)果104-123
• 4.1 引言104
• 4.2 外激激勵參數(shù)對砰擊荷載的影響104-112
• 4.2.1 實驗設(shè)計104-107
• 4.2.2 激勵頻率對砰擊荷載的影響107-109
• 4.2.3 激勵振幅對自由液面的影響109-110
• 4.2.4 激勵頻率和激勵振幅對砰擊荷載的影響110-112
• 4.3 砰擊荷載的統(tǒng)計特性112-118
• 4.3.1 實驗設(shè)計112-114
• 4.3.2 砰擊率114-115
• 4.3.3 砰擊特征時間與砰擊壓力的關(guān)系115-116
• 4.3.4 砰擊壓力峰值的統(tǒng)計特性116-118
• 4.4 基于實驗數(shù)據(jù)的砰擊荷載簡化模型118-121
• 4.4.1 砰擊荷載的偏斜度119-120
• 4.4.2 晃蕩砰擊荷載的簡化三角脈沖模型120-121
• 4.5 小結(jié)121-123
• 5 GTT N096型液艙的設(shè)計研究123-145
• 5.1 引言123-124
• 5.2 流體數(shù)值仿真方法的建立和驗證124-128
• 5.2.1 流體數(shù)值仿真方法的建立124-125
• 5.2.2 流體數(shù)值仿真方法的驗證125-127
• 5.2.3 驗證結(jié)果127-128
• 5.3 基于晃蕩荷載的N096儲艙形狀初步設(shè)計128-140
• 5.3.1 拐角類型對晃蕩荷載的影響130-134
• 5.3.2 拐角位置對晃蕩荷載的影響134-136
• 5.3.3 新液艙的形狀136-137
• 5.3.4 新液艙形狀的評價137-140
• 5.4 基于晃蕩荷載的N096儲艙主尺寸初步設(shè)計140-144
• 5.4.1 液艙長度對晃蕩荷載的影響141-142
• 5.4.2 液艙寬度對晃蕩荷載的影響142-143
• 5.4.3 液艙高度對晃蕩荷載的影響143-144
• 5.5 小結(jié)144-145
• 6 高固體率隔板的阻晃機理研究145-170
• 6.1 引言145-146
• 6.2 阻晃隔板模型實驗設(shè)計146-151
• 6.2.1 實驗系統(tǒng)146-149
• 6.2.2 阻晃隔板149-150
• 6.2.3 實驗步驟150-151
• 6.2.4 實驗數(shù)據(jù)后處理方法151
• 6.3 實驗結(jié)果和討論151-169
• 6.3.1 固體率對流場運動的影響151-159
• 6.3.2 固體率對自由液面波高的影響159-161
• 6.3.3 固體率對晃蕩砰擊壓力的影響161-165
• 6.3.4 固體率對砰擊荷載空間分布的影響165-169
• 6.4 小結(jié)169-170
• 7 結(jié)論與展望170-173
• 7.1 結(jié)論170-171
• 7.2 創(chuàng)新點摘要171-172
• 7.3 展望172-173
• 參考文獻173-184
• 攻讀博士學位期間科研項目及科研成果184-186
• 致謝186-189
• 作者簡介189

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本文編號：1014096