CN103745063B - 一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其包括以下步骤：1）通过计算得到船舶每个液舱的运动响应幅度算子和运动加速度，由此判断得到船舶的水动力性能；2）结合船舶实际作业海域的波高周期分布和波浪方向分布概率分析得到船舶的长期运动响应；3）计算得到液舱在不同载液率下纵截面和横截面的固有周期；4）综合上述因素计算液舱的剧烈晃荡荷载，通过绘制图形得到临界晃荡波浪条件的曲线图，并选取最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的临界晃荡波浪条件；5）结合液舱的基本参数计算液舱壁面的晃荡荷载压力分布，然后将不同截面型式和尺寸液舱的最大晃荡荷载进行比较，得到适用于该实际作业海域的较优的液舱截面型式和尺寸。本发明具有计算速度快，计算精度较高，简单实用等优点，并为液舱优化选型提供重要的理论依据。

Description

一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种液货船舱室的设计方法，具体涉及一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法。

背景技术

晃荡是指在部分充满液体的容器内出现的液面波动现象，这是一种在自然界普遍存在的物理现象，在航天、石化、海洋和船舶等工程领域均有涉及。随着世界航运业的不断发展以及世界各国对清洁能源需求的不断增加，液化天然气/液化石油气（LNG/LPG）运输船的数量在逐年增加。同时，随着深远海气田开发的需要，海洋工程界近年提出了大型浮式液化天然气生产储卸装置（FLNG）。一般对于运输LNG/LPG等的液货船均存在舱内部分充满液体的状态，此时舱内液体运动将对舱壁产生较大的晃荡荷载冲击，而晃荡荷载的剧烈程度与液货船的安全运营密切相关。

由于影响液舱晃荡荷载大小的因素很多（如舱内液体高度、舱室截面型式、舱室在船舶中的位置、船舶运动幅度及频率等），因此难于计算得到液舱晃荡荷载最大的情况。一般认为影响液舱晃荡荷载大小的因素主要有三个方面：首先是船舶的水动力性能；其次是作业海域的海况条件，结合船舶的水动力性能即可计算得到船舶的长期运动响应；最后是船舶内的液舱固有特性，如接近其固有周期时，往往液舱晃荡荷载较大。如果将上述因素一一考虑，即使每种影响因素仅考虑10种情况，总共工况数也达到1000种，并且液舱晃荡荷载的计算非常耗时，这样大量的计算工况使得计算时间无法忍受，同时这样的计算也非常粗略，因而也不能完全捕获液舱晃荡的最大荷载。对于这些液货船，其舱内的液体晃荡无法避免，因此如何快速高效地计算液货船舱内最大晃荡荷载，并基于该最大晃荡荷载来对液舱进行优化设计，对于液货船的安全运营至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱设计方法，以为液舱优化选型提供重要的理论依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其包括以下步骤：

1）船舶水动力分析：

根据船舶的重量、重心和转动惯性半径计算得到船舶每个液舱中心位置的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的运动响应幅度算子，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度运动响应幅度算子，由此判断得到船舶在各种波浪状况下的水动力性能；

2）船舶长期运动响应：

根据步骤1）中船舶的水动力性能，并结合船舶实际作业海域的波高周期分布和波浪方向分布概率进行船舶的长期运动响应分析，由此得到船舶在其实际作业海域的海况条件下的长期运动响应，包括纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的LTR，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度响应；

3）液舱特性分析：

将三维液舱分解为横向和纵向两个截面进行分析，并通过公式（1）计算得到液舱在不同载液率下纵截面的固有周期，通过公式（2）计算得到液舱在不同载液率下横截面的固有周期：

${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{\mathrm{g\π}}{L}\tanh \frac{\mathrm{\πd}}{L}},T_x=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_x}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_y=\sqrt{\frac{\mathrm{g\π}}{b_f}\tanh \frac{\mathrm{\πd}}{b_f}},T_y=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_y}---\left(2\right)$

上式中，ω_x和ω_y分别为液舱纵向和横向截面的固有圆频率；T_x和T_y分别为液舱纵向和横向截面的固有周期；b_f是液舱内液面宽度；L为液舱长度；d为液舱内液深高度；g为重力加速度；π为圆周率；

4）临界晃荡波浪条件：

综合考虑船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱特性来计算液舱的剧烈晃荡荷载：

①首先根据步骤1）得到的船舶运动响应幅度算子和步骤2）得到的船舶运动长期响应计算船舶的等效波浪幅值：

$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=\underset{j=\mathrm{1,2},...,9}{\min }\frac{{\mathrm{LTR}}_j}{{\mathrm{RAO}}_j(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})}---\left(3\right)$

上式中，a(ω,θ)为等效波浪幅值；ω为波浪频率；θ为波浪来浪方向；LTR为船舶运动长期响应；RAO(ω,θ)为船舶在波浪频率ω和波浪来浪方向θ下的船舶运动响应幅度算子；下标j从1到6分别表示液舱的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向，从7到9表示液舱运动加速度的X、Y和Z三个坐标轴方向；

②对于公式（3）中的等效波浪幅值，重点考虑对船舶影响较大的波浪来浪方向，即横向90°～120°，纵向150°～180°；

③考虑到液舱特性，重点考虑在液舱振动周期最为激烈的0.7～1.3倍液舱固有周期范围内的等效波浪幅值；

④考虑波浪的波陡有一定限制，即等效波浪幅值必须小于或者等于波浪破碎波高：

$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})\≤\frac{\mathrm{\π}}{7}\frac{g}{{\mathrm{\ω}}^2}---\left(4\right)$

综合考虑以上因素，通过绘制图形得到临界晃荡波浪条件的曲线图，并选取最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的临界晃荡波浪条件；

5）晃荡时域数值分析：

根据步骤4）中选取的临界晃荡波浪条件，再结合液舱的基本参数计算得到液舱壁面的晃荡荷载压力分布，由此确定该种液舱在实际作业海域可能产生的最大晃荡荷载，然后将不同截面型式和尺寸液舱的最大晃荡荷载进行比较，即得到适用于该实际作业海域的较优的液舱截面型式和尺寸，完成对液舱的优化设计。

在进行上述步骤1）和步骤2）时，采用商业软件HydroSTAR进行计算。

在进行上述步骤4）时，选择以下三种临界晃荡波浪条件：

1）临界晃荡波浪条件的周期接近液舱固有周期的；

2）等效波浪幅值最大的；

3）等效波浪幅值较大，且临界晃荡波浪条件的周期又较为接近液舱固有周期的。

在进行上述步骤5）时，采用商业软件FLUENT进行计算。

在进行上述步骤5）时，液舱的基本参数包括：液舱宽度B，液舱长度L，液舱高度H，液舱内水深高度d，液舱内水面宽度b_f，液舱下斜面高度h_l，液舱上斜面高度h_u，液舱下斜面与液舱竖直面夹角γ_l，液舱上斜面与液舱竖直面夹角γ_u。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明综合考虑了船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱自身特性，通过绘制图表的方法，使得液舱晃荡荷载的计算工况大幅减小，极大地提高了计算时间和效率，为概念设计和基本设计提供参考，能够对液舱结构型式进行高效优化。例如在FLNG等液货船的概念设计和基本设计中，可以快速对比不同方案的剧烈晃荡荷载大小，为方案选择提供强有力的数据支持，最终获得最优的设计方案。由此可见，本发明具有计算速度快，计算精度较高，简单实用等优点，并为液舱优化选型提供重要的理论依据。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明实施例中FLNG的舱室布置图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是本发明实施例中FLNG的单个液舱示意图；

图4是本发明实施例中FLNG的某一舱室横摇RAO曲线图；

图5是本发明临界晃荡波浪条件的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本实施例以近期研究热点的FLNG为例进行说明，其中该FLNG的舱室1-2为LPG液舱，舱室3-12为LNG液舱。

如图2所示，本发明采用基于液货船舱内剧烈晃荡荷载对该FLNG的液舱结构型式进行优化设计，其包括以下步骤：

1、船舶水动力分析：

为了对FLNG的水动力性能进行分析，需要输入FLNG的基本参数，如船舶重量、重心和转动惯性半径等参数，即可采用商业软件（如BV公司的HydroSTAR）计算得到每个液舱的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的运动响应幅度算子（ResponseAmplitude Operator,简称RAO），以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度运动响应幅度算子。需要说明的是，当船舶运动时，每个液舱的运动幅值不尽相同，离重心位置较远处的运动幅度较大，因为在船舶液舱优化中，需要考虑其最大的运动幅值，本实施例中由于舱室11和舱室12离重心位置较远，故以舱室12为例代表船舶运动情况。由于数据量较大，本实施例仅给出舱室12的横摇RAO曲线（如图4所示），其余结果类似。以图中150°波浪来浪方向的曲线为例，该曲线上每个点代表FLNG在不同的波浪频率下的RAO，由此可以判断FLNG在各种波浪状况下的水动力性能。

2、船舶长期运动响应：

为了得到FLNG在实际作业海域中长期作业的最大运动情况，还需要对FLNG进行长期运动响应分析。

根据上述步骤1中FLNG的水动力性能，并结合其实际作业海域的波高周期分布和波浪方向分布概率（数据可从海洋环境监测部门获取），即可采用商业软件（如BV公司的HydroSTAR）进行FLNG的长期运动响应分析，由此得到FLNG在其实际作业海域的海况条件下的长期运动响应（Long Term Response，简称LTR），包括纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的LTR，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度响应。本实施例仅给出舱室12的LTR具体结果（如表1所示），其余结果类似。由表1可以看出在20%载液率时，舱室12横摇方向的长期响应幅值为1.55，即为在该实际作业海域，根据计算得到的舱室12在20%载液率时长期响应幅值为1.55°，这样即得到了FLNG在该实际作业海域理论上的最大响应值。

表1为舱室12的长期响应幅值

运动方向\载液率	10%	20%	30%	40%	50%	60%	70%	80%90%
									纵荡	0.85	0.95	0.87	0.77	0.75	0.80	0.75	0.790.75
横荡	4.14	3.81	3.80	3.79	3.81	3.82	3.80	3.833.92
									升沉	6.29	6.33	6.36	6.21	6.21	6.20	6.12	6.105.96
横摇	1.50	1.55	1.85	1.85	2.00	1.93	1.77	1.391.40
									纵摇	2.96	2.95	3.09	2.82	2.74	2.93	2.63	2.922.71
回转	1.65	1.53	1.66	1.48	1.43	1.59	1.39	1.621.52
									X轴方向加速度	0.34	0.39	0.43	0.41	0.40	0.39	0.41	0.400.37
Y轴方向加速度	2.37	2.25	2.21	2.21	2.24	2.21	2.18	2.102.06
									Z轴方向加速度	2.31	2.34	2.34	2.26	2.25	2.25	2.19	2.182.11

3、液舱特性分析：

众所周知，液舱内的液体晃荡现象在液舱振动周期和其固有周期接近时会非常剧烈，因此需对液舱的固有周期进行分析。图3为FLNG的单个液舱示意图，其中包含液舱的以下基本参数：

为液舱宽度，L为液舱长度，H为液舱高度，d为液舱内水深高度，b_f为液舱内水面宽度，h_l为液舱下斜面高度，h_u为液舱上斜面高度，γ_l为液舱下斜面与液舱竖直面夹角，γ_u为液舱上斜面与液舱竖直面夹角。

由于对于三维的液舱计算较为复杂，为了能够快速高效的进行晃荡荷载计算，本发明将三维液舱分解为横向和纵向两个截面进行分析，并通过公式（1）可以计算得到液舱在不同载液率下纵截面的固有周期，通过公式（2）可以计算得到液舱在不同载液率下横截面的固有周期（如表2所示）：

${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{\mathrm{g\π}}{L}\tanh \frac{\mathrm{\πd}}{L}},T_x=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_x}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_y=\sqrt{\frac{\mathrm{g\π}}{b_f}\tanh \frac{\mathrm{\πd}}{b_f}},T_y=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_y}---\left(2\right)$

上式中，ω_x和ω_y分别为液舱纵向和横向截面的固有圆频率；T_x和T_y分别为液舱纵向和横向截面的固有周期；b_f是液舱内液面宽度；L为液舱长度；d为液舱内液深高度，不同载液率液深高度不同；g为重力加速度；π为圆周率。

表2为LNG/LPG液舱纵截面和横截面的固有周期

	LNG液舱	固有周期	LPG液舱	固有周期
					装载液位(%H)	Tx(s)	Ty(s)	Tx(s)	Ty(s)
10	14.94	9.97	5.99	9.97
					20	10.82	8.18	4.80	8.18
30	9.17	7.10	4.50	7.10
					40	8.32	6.60	4.41	6.60
50	7.83	6.35	4.38	6.35
					60	7.54	6.21	4.38	6.21
70	7.36	6.14	4.37	6.14
					80	7.25	6.08	4.37	6.08
90	7.18	5.41	4.37	5.41

4、临界晃荡波浪条件：

由于影响晃荡荷载大小的因素很多，因此临界晃荡波浪条件的选取非常重要。本发明综合考虑了船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱特性，将三者综合考虑可以更好的计算液舱的剧烈晃荡荷载：

1）首先根据步骤1得到的船舶运动响应幅度算子和步骤2得到的船舶运动长期响应计算FLNG的等效波浪幅值：

$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=\underset{j=\mathrm{1,2},...,9}{\min }\frac{{\mathrm{LTR}}_j}{{\mathrm{RAO}}_j(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})}---\left(3\right)$

上式中，a(ω,θ)为等效波浪幅值；ω为波浪频率；θ为波浪来浪方向；LTR为船舶运动长期响应；RAO(ω,θ)为船舶在波浪频率ω和波浪来浪方向θ下的船舶运动响应幅度算子；下标j从1到6分别表示液舱的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向，从7到9表示液舱运动加速度的X、Y和Z三个坐标轴方向。

2）对于公式（3）中的等效波浪幅值，重点考虑对FLNG影响较大的波浪来浪方向，即横向90°～120°，纵向150°～180°。

3）考虑到液舱特性，重点考虑在液舱振动周期最为激烈的0.7～1.3倍液舱固有周期范围内的等效波浪幅值。

4）考虑波浪的波陡有一定限制，即等效波浪幅值必须小于或者等于波浪破碎波高：

$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})\≤\frac{\mathrm{\π}}{7}\frac{g}{{\mathrm{\ω}}^2}---\left(4\right)$

综合考虑以上因素，通过绘制图形即可得到临界晃荡波浪条件的曲线图（如图5所示），由图5不难发现临界晃荡波浪条件是在所有曲线下方和两条竖线所围成的区域，亦即临界晃荡波浪条件的等效波浪幅值小于所有运动方向的等效波浪幅值和波浪破碎极限，且临界晃荡波浪条件的周期在0.7～1.3倍液舱固有周期之间。

由于临界晃荡波浪条件可以选取多组，为了使得到的剧烈晃荡荷载数据更加可靠，本发明中重点选择了以下三种最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的临界晃荡波浪条件：

1）临界晃荡波浪条件的周期接近液舱固有周期的，此时等效波浪幅值可能较小；

2）等效波浪幅值最大的，此时临界晃荡波浪条件的周期可能离液舱固有周期较远；

3）等效波浪幅值较大，且临界晃荡波浪条件的周期又较为接近液舱固有周期的，此时虽然不是最大的等效波浪幅值，也不是离液舱固有周期最近，但是综合起来仍被视为最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的波浪条件。

5、晃荡时域数值分析：

根据上述步骤4中选取的临界晃荡波浪条件，再结合液舱的基本参数，即可采用商业软件（如FLUENT）计算得到液舱壁面的晃荡荷载压力分布，由此确定该种液舱在实际作业海域可能产生的最大晃荡荷载；然后将不同截面型式和尺寸液舱的最大晃荡荷载进行比较，即可得到适用于该实际作业海域的较优的液舱截面型式和尺寸，从而高效的对液舱进行了优化设计。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其包括以下步骤：

1)船舶水动力分析：

根据船舶的重量、重心和转动惯性半径计算得到船舶每个液舱中心位置的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的运动响应幅度算子，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度运动响应幅度算子，由此判断得到船舶在各种波浪状况下的水动力性能；

2)船舶长期运动响应：

根据步骤1)中船舶的水动力性能，并结合船舶实际作业海域的波高周期分布和波浪方向分布概率进行船舶的长期运动响应分析，由此得到船舶在其实际作业海域的海况条件下的长期运动响应，包括纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的LTR，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度响应；

3)液舱特性分析：

将三维液舱分解为横向和纵向两个截面进行分析，并通过公式(1)计算得到液舱在不同载液率下纵截面的固有周期，通过公式(2)计算得到液舱在不同载液率下横截面的固有周期：

${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{g\mathrm{\π}}{L}\tanh \frac{\mathrm{\π}d}{L}},T_x=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_x}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_y=\sqrt{\frac{g\mathrm{\π}}{b_f}\tanh \frac{\mathrm{\π}d}{b_f}},T_y=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_y}---\left(2\right)$

上式中，ω_x和ω_y分别为液舱纵向和横向截面的固有圆频率；T_x和T_y分别为液舱纵向和横向截面的固有周期；b_f是液舱内液面宽度；L为液舱长度；d为液舱内液深高度；g为重力加速度；π为圆周率；

4)临界晃荡波浪条件：

综合考虑船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱特性来计算液舱的剧烈晃荡荷载：

①首先根据步骤1)得到的船舶运动响应幅度算子和步骤2)得到的船舶运动长期响应计算船舶的等效波浪幅值：

$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=\underset{j=12...9}{min}\frac{{\mathrm{LTR}}_j}{{\mathrm{RAO}}_j(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})}---\left(3\right)$

上式中，a(ω,θ)为等效波浪幅值；ω为波浪频率；θ为波浪来浪方向；LTR为船舶运动长期响应；RAO(ω,θ)为船舶在波浪频率ω和波浪来浪方向θ下的船舶运动响应幅度算子；下标j从1到6分别表示液舱的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向，从7到9表示液舱运动加速度的X、Y和Z三个坐标轴方向；

②对于公式(3)中的等效波浪幅值，重点考虑对船舶影响较大的波浪来浪方向，即横向90°～120°，纵向150°～180°；

③考虑到液舱特性，重点考虑在液舱振动周期最为激烈的0.7～1.3倍液舱固有周期范围内的等效波浪幅值；

④考虑波浪的波陡有一定限制，即等效波浪幅值必须小于或者等于波浪破碎波高：

$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})\≤\frac{\mathrm{\π}}{7}\frac{g}{{\mathrm{\ω}}^2}---\left(4\right)$

综合考虑船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱特性，通过绘制图形得到临界晃荡波浪条件的曲线图，并选取以下三种最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的临界晃荡波浪条件：

①临界晃荡波浪条件的周期接近液舱固有周期的；

②等效波浪幅值最大的；

③等效波浪幅值较大，且临界晃荡波浪条件的周期又较为接近液舱固有周期的；

5)晃荡时域数值分析：

根据步骤4)中选取的临界晃荡波浪条件，再结合液舱的基本参数计算得到液舱壁面的晃荡荷载压力分布，由此确定液舱在实际作业海域可能产生的最大晃荡荷载，然后将不同截面型式和尺寸液舱的最大晃荡荷载进行比较，即得到适用于该实际作业海域的较优的液舱截面型式和尺寸，完成对液舱的优化设计。

2.如权利要求1所述的一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其特征在于：在进行上述步骤1)和步骤2)时，采用商业软件HydroSTAR进行计算。

3.如权利要求1或2所述的一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其特征在于：在进行上述步骤5)时，采用商业软件FLUENT进行计算。

4.如权利要求1或2所述的一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其特征在于：在进行上述步骤5)时，液舱的基本参数包括：液舱宽度B，液舱长度L，液舱高度H，液舱内水深高度d，液舱内水面宽度b_f，液舱下斜面高度h_l，液舱上斜面高度h_u，液舱下斜面与液舱竖直面夹角γ_l，液舱上斜面与液舱竖直面夹角γ_u。