本文關(guān)鍵詞：FLNG系統(tǒng)儲(chǔ)艙設(shè)計(jì)中的晃蕩與砰擊荷載研究

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【摘要】：適用于深、遠(yuǎn)海油氣田,集開采、液化、儲(chǔ)存、裝卸、運(yùn)輸和氣化天然氣的新型開發(fā)模式,受到工業(yè)界和學(xué)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(yīng)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(chǔ)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(jì)和制造的能力,我國需要發(fā)展FLNG的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)。本文系統(tǒng)地開展了超大型船載儲(chǔ)艙內(nèi)晃蕩砰擊荷載、液艙設(shè)計(jì)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(chǔ)艙內(nèi)流體砰擊荷載室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法研究室內(nèi)大尺度晃蕩模型實(shí)驗(yàn)是最能真實(shí)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(dǎo)致砰擊壓力瞬時(shí)增大,因此,實(shí)驗(yàn)研究中如何準(zhǔn)確地測(cè)量砰擊載荷是關(guān)鍵問題。本文建立了FLNG大尺度儲(chǔ)艙晃蕩模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)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(chǔ)艙流體晃蕩砰擊壓力測(cè)量方法,并驗(yàn)證了砰擊荷載測(cè)量方法的精確性和可靠性；根據(jù)砰擊載荷在時(shí)域和空間域的分布特性,設(shè)計(jì)了壓力監(jiān)測(cè)陣列式模塊測(cè)量砰擊載荷。上述研究為大尺度儲(chǔ)艙內(nèi)流體砰擊荷載模型實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器的選擇和測(cè)點(diǎn)布局提供參考。2 GTT儲(chǔ)艙內(nèi)模型尺寸對(duì)砰擊載荷影響的實(shí)驗(yàn)研究目前國內(nèi)外尚沒有針對(duì)模型的尺寸對(duì)流場(chǎng)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(shí)驗(yàn)中的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理地?fù)Q算到原型尺度。許多學(xué)者認(rèn)為晃蕩室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證明這個(gè)觀點(diǎn)。本文開展了GTT儲(chǔ)艙內(nèi)尺寸效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。討論模型尺寸對(duì)砰擊的物理現(xiàn)象和砰擊荷載的影響,進(jìn)而驗(yàn)證了流體砰擊荷載實(shí)驗(yàn)中,采用弗勞德相似準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)研究針對(duì)二維矩形液艙內(nèi)的晃蕩砰擊荷載開展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。在規(guī)則橫搖激勵(lì)下,分析了外激激勵(lì)參數(shù)對(duì)砰擊荷載的影響,并提出砰擊荷載具有飽和性�；陂L(zhǎng)期不規(guī)則激勵(lì)下的砰擊荷載實(shí)驗(yàn),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(duì)應(yīng)的砰擊壓力值和其對(duì)應(yīng)的砰擊特征時(shí)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(shí),提供砰擊荷載參考依據(jù)。4 GTT NO96型液艙的設(shè)計(jì)研究根據(jù)GTT NO96型液艙的概念設(shè)計(jì)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(duì)單個(gè)液艙的形狀和尺寸開展設(shè)計(jì)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(jì)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(yīng)保證自由液面的最低階固有頻率能夠遠(yuǎn)離船體運(yùn)動(dòng)的頻率�；谶@個(gè)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(lì)周期比率和大振幅。該波系擴(kuò)展現(xiàn)有的淺水條件下儲(chǔ)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(jì)提供了新的受力形式。此外,通過實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jì)中具有參考價(jià)值。本文研究結(jié)果和結(jié)論對(duì)于更全面地認(rèn)識(shí)流體砰擊及其抑制的內(nèi)在機(jī)理,更好地為超大型FLNG儲(chǔ)艙和儲(chǔ)艙內(nèi)阻晃隔板的設(shè)計(jì)等方面具有指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：晃蕩與砰擊載荷 大尺度液艙 晃蕩模型實(shí)驗(yàn) 液艙設(shè)計(jì) 阻晃隔板
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(hào)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(chǔ)艙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵力學(xué)問題27-28
• 1.3 儲(chǔ)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(chǔ)艙內(nèi)流體晃蕩砰擊的實(shí)驗(yàn)研究概述33-42
• 1.4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究概述33-35
• 1.4.2 原型實(shí)驗(yàn)研究概述35-36
• 1.4.3 室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)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(chǔ)艙內(nèi)流體砰擊荷載室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法研究45-81
• 2.1 引言45-46
• 2.2 大尺度儲(chǔ)艙半物理子結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)方法46-47
• 2.3 大尺度儲(chǔ)艙流體晃蕩砰擊荷載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)47-58
• 2.3.1 儲(chǔ)艙模型48-50
• 2.3.2 動(dòng)平臺(tái)50-53
• 2.3.3 實(shí)驗(yàn)工況53-57
• 2.3.4 采集系統(tǒng)57-58
• 2.3.5 實(shí)驗(yàn)步驟58
• 2.4 大尺度儲(chǔ)艙流體晃蕩砰擊壓力測(cè)量方法研究58-76
• 2.4.1 壓力傳感器的靜態(tài)響應(yīng)58-61
• 2.4.2 壓力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(shí)驗(yàn)尺寸效應(yīng)研究81-104
• 3.1 引言81
• 3.2 模型實(shí)驗(yàn)的相似性81-85
• 3.2.1 相似準(zhǔn)則81-82
• 3.2.2 量綱分析82-84
• 3.2.3 流體力學(xué)問題中的相似準(zhǔn)數(shù)84-85
• 3.3 砰擊荷載模型實(shí)驗(yàn)中的尺寸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)85-89
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>85-87
• 3.3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備87-88
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)工況88-89
• 3.4 單次砰擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果89-98
• 3.4.1 運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)89-92
• 3.4.2 砰擊壓力92-98
• 3.5 長(zhǎng)期簡(jiǎn)諧砰擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果98-103
• 3.5.1 砰擊率的對(duì)比98-99
• 3.5.2 砰擊特征時(shí)間的對(duì)比99-100
• 3.5.3 砰擊壓力峰值的統(tǒng)計(jì)性對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果104-123
• 4.1 引言104
• 4.2 外激激勵(lì)參數(shù)對(duì)砰擊荷載的影響104-112
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)104-107
• 4.2.2 激勵(lì)頻率對(duì)砰擊荷載的影響107-109
• 4.2.3 激勵(lì)振幅對(duì)自由液面的影響109-110
• 4.2.4 激勵(lì)頻率和激勵(lì)振幅對(duì)砰擊荷載的影響110-112
• 4.3 砰擊荷載的統(tǒng)計(jì)特性112-118
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)112-114
• 4.3.2 砰擊率114-115
• 4.3.3 砰擊特征時(shí)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(jì)特性116-118
• 4.4 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的砰擊荷載簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jì)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(yàn)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(yàn)證125-127
• 5.2.3 驗(yàn)證結(jié)果127-128
• 5.3 基于晃蕩荷載的N096儲(chǔ)艙形狀初步設(shè)計(jì)128-140
• 5.3.1 拐角類型對(duì)晃蕩荷載的影響130-134
• 5.3.2 拐角位置對(duì)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(píng)價(jià)137-140
• 5.4 基于晃蕩荷載的N096儲(chǔ)艙主尺寸初步設(shè)計(jì)140-144
• 5.4.1 液艙長(zhǎng)度對(duì)晃蕩荷載的影響141-142
• 5.4.2 液艙寬度對(duì)晃蕩荷載的影響142-143
• 5.4.3 液艙高度對(duì)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(jī)理研究145-170
• 6.1 引言145-146
• 6.2 阻晃隔板模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)146-151
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)146-149
• 6.2.2 阻晃隔板149-150
• 6.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟150-151
• 6.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理方法151
• 6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論151-169
• 6.3.1 固體率對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的影響151-159
• 6.3.2 固體率對(duì)自由液面波高的影響159-161
• 6.3.3 固體率對(duì)晃蕩砰擊壓力的影響161-165
• 6.3.4 固體率對(duì)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(diǎn)摘要171-172
• 7.3 展望172-173
• 參考文獻(xiàn)173-184
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果184-186
• 致謝186-189
• 作者簡(jiǎn)介189

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本文編號(hào)：1014096