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晃蕩條件下LNG-FSRU液貨艙中LNG翻滾過程分析

2021-12-27 02:33朱漢華朱志鵬李昭輝
中國修船 2021年6期
關(guān)鍵詞:貨艙下層物性

門 皓,朱漢華,朱志鵬,李昭輝,張 夢

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

海上浮式LNG接收終端(LNG-FSRU)作為海上LNG接收終端,受到海水波動的影響,當(dāng)艙室處于非滿載情況時艙內(nèi)會發(fā)生晃蕩現(xiàn)象[1-2]。圖1為船舶在水中晃蕩的激勵方式,根據(jù)圖1可知,在二維平面上的激勵主要有X方向的縱搖和Z方向的橫搖2種激勵方式,且橫搖對于液貨艙中液體的穩(wěn)定性影響大于縱搖[3],同時LNG液體在儲運過程中會伴隨著分層和翻滾現(xiàn)象。因此選用橫搖的激勵方式,針對晃蕩條件對LNG-FSRU的液貨艙翻滾問題的影響進行進一步分析。

圖1 船舶在水中晃蕩的激勵方式

目前,現(xiàn)有文獻對LNG分層與翻滾的影響數(shù)值模擬研究中大都采取定物性,且研究對象大多數(shù)為岸上靜止圓柱型儲罐,對于LNG-FSRU的研究較少,并且復(fù)雜海況影響LNG的分層與翻滾,會呈現(xiàn)出不同的運動規(guī)律[4]。因此研究橫搖條件下LNG的翻滾過程具有重要意義。

1 模型及計算方法

1.1 物理模型

選取的模擬對象為系泊于水深40~60 m的海上LNG-FSRU,容積為6 000 m3的薄膜型液貨艙,考慮到采用三維模型會降低計算效率,將薄膜型液貨艙簡化為二維模型進行分層和翻滾的模擬,薄膜型液貨艙二維尺寸模型如圖2所示,其中,l=20 m,h1=2.5 m,h2=2.0 m,h=15 m。

圖2 薄膜型液貨艙二維尺寸模型

本文研究對象為已形成分層條件下橫搖對液貨艙LNG內(nèi)流場、速度場的影響情況,對引起分層的原因和過程不做研究。假設(shè)初始情況分層已經(jīng)產(chǎn)生,通過對不同分層設(shè)置不同的初始溫度,定義出不同密度,并分為上、下2層。其中上層為密度較大的LNG液體,且下層溫度高于上層,2層之間有固定分界線,在底部和側(cè)壁有均勻熱流量q。

材料選取2種組成成分不同的LNG,其中下層LNG由92.55%甲烷、5.24%乙烷、2.13%丙烷、0.08%氮氣組成,上層LNG由90.72%甲烷、4.26%乙烷、5.01%丙烷、0.01%氮氣組成。并通過查取LNG在不同溫度下物性變化規(guī)律,將密度、定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度等重要物性參數(shù)近似擬合成只與溫度相關(guān)的一元一次方程,其中a、b分別為一元一次方程的系數(shù)且為固定值,T為溫度。由于LNG的各種物質(zhì)組分比例不同,所以同一物性參數(shù)中,上、下層LNG的a、b值不相同。擬合后LNG物性關(guān)聯(lián)式如表1所示。

表1 擬合后LNG物性關(guān)聯(lián)式

1.2 翻滾模型簡化

將LNG液貨艙內(nèi)分層與翻滾的模型進行如下簡化。

1)以圖1中6 000 m3的LNG-FSRU液貨艙為例,建立二維模型,不考慮壁厚。設(shè)置其容積率分別為30%、60%、90%,經(jīng)計算其液面高度分別為4.5 m、7.0 m、12.0 m。

2)模擬中采用表1中的LNG物性,取上層LNG溫度為111.2 K,下層溫度為111.5 K,且側(cè)邊和底部均有漏熱。

3)為研究晃蕩條件對翻滾的干擾,排除其他影響因素,該模擬均采用二分層,且忽略LNG液體汽化等相變過程,以及由汽化引起的壓力變化。

4)查閱相關(guān)文獻可知,中國南海近100年中,極端天氣環(huán)境下的波參數(shù)為:譜峰周期14.6 s,有效周期13.7 s,跨零周期11.4 s。本次選取10 s、15 s、20 s這3種周期進行模擬[5]。

5)我國南海作業(yè)海況的最大橫搖角度為6°[6],因此選取的橫搖角度為5°、4°、3°、2°,均小于6°。

在計算區(qū)域內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,總網(wǎng)格數(shù)為22 568,采用Fluent軟件進行數(shù)值模擬,并應(yīng)用瞬態(tài)模型、能量方程、k-ε方程,橫搖工況下,我們要對氣-液界面進行追蹤,因此選用VOF模型。本文所模擬的各種工況條件如表2所示。對所有工況進行計算時,選取LNG液貨艙中心線處上層LNG中心A點、下層LNG中心C點、分層界面中心B點,分別監(jiān)測A、B、C點處的密度。簡化后的物理模型及監(jiān)測位置示意圖如圖3所示。

表2 工況條件

圖3 簡化后的物理模型及監(jiān)測位置示意圖

根據(jù)表2進行對比分析,將得到以下3種情況的結(jié)果:①對比1、2、4工況,研究在相同漏熱、充滿率、周期下,不同橫搖角度對翻滾的影響;②對比3、4、5工況,研究在相同橫搖角度、漏熱、周期下,不同充滿率對翻滾過程的影響;③對比4、6、7工況,研究在相同充滿率、晃蕩角度、漏熱條件下,不同晃蕩周期對翻滾的影響。

1.3 邊界條件

本文主要模擬橫搖條件下的翻滾過程,因此模型中設(shè)置重力加速度,采用滑移網(wǎng)格的方法,通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF),可以使液貨艙模型按照我們定義的軌跡和速度進行橫搖運動。

2 結(jié)果分析

2.1 不同橫搖角度對翻滾的影響規(guī)律

對比1、2、4工況,其橫搖角度分別為3°、4°、5°,液貨艙的充滿率皆為60%,上下LNG的分層高度為3.5 m,其晃蕩周期均為15 s,不同橫搖角度的各時刻相云圖如圖4~圖6所示。

根據(jù)圖4~圖6可知,橫搖對液貨艙內(nèi)流場產(chǎn)生了極大的影響。在初始時刻(t=10 s),液-液分界面在晃蕩作用和重力作用下,開始發(fā)生輕微變形。在t=20 s時,分界面處已經(jīng)呈現(xiàn)扭曲,此時分界面在重力和橫搖激勵影響下不再穩(wěn)定,分界面兩側(cè)密度不同的LNG互相摻混,翻滾過程加劇。隨著橫搖角度的增大,其界面的扭曲程度也隨之增大,并開始劇烈混合;但橫搖角度越大,混合程度越劇烈。而且,在橫搖激勵下LNG的翻滾會產(chǎn)生大量渦旋,橫搖角度越大,渦旋越少。當(dāng)橫搖角度為5°時,液貨艙內(nèi)LNG液體的速度主要沿橫搖進行的方向,說明液貨艙橫搖速度越快,對LNG翻滾的抑制作用越大。

圖4 橫搖角度為3°的各時刻相云圖

圖5 橫搖角度為4°的各時刻相云圖

圖6 橫搖角度為5°的各時刻相云圖

圖7~圖9為不同橫搖角度的LNG密度變化曲線圖。根據(jù)圖像可知,初始階段(0~40 s),上下層密度差保持不變,均為3.741 kg/m3。40~200 s過程中,翻滾開始發(fā)生,且LNG密度變化較為劇烈。200~250 s屬于翻滾減弱平復(fù)階段,最終上下層LNG密度逐漸趨于穩(wěn)定。通過數(shù)據(jù)知,橫搖角度3°的上下層密度達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間約為300 s,橫搖角度為5°的上下層密度趨于穩(wěn)定的時間約為280 s,且翻滾平穩(wěn)后,橫搖角度為3°、4°、5°上下層LNG的平均密度差分別為:0.938 kg/m3,0.864 kg/m3,0.824 kg/m3。由此可知:橫搖角度越大,LNG混合完全后平均密度差越小。

圖7 橫搖角度3°的LNG密度變化曲線

圖8 橫搖角度4°的LNG密度變化曲線

圖9 橫搖角度為5°的LNG密度變化曲線

2.2 不同載況對翻滾的影響規(guī)律

對比工況3、工況4、工況5,研究不同的載況對翻滾的影響。其液貨艙的充滿率分別為30%、60%、90%,其液面高度分別為4.5 m、7.0 m、12.0 m,且均為2分層。不同充滿率的液貨艙中LNG的密度變化曲線如圖10~圖12所示。

根據(jù)圖10~圖12可知,液貨艙中LNG在翻滾過程中密度變化趨勢基本一致。30%充滿率的LNG開始翻滾時間大約為20 s,其密度達到平穩(wěn)的時間為200 s;90%充滿率翻滾開始時間約為50 s,翻滾結(jié)束時間約為350 s。由此可知,隨著充滿率的增大,翻滾持續(xù)時間也大大延長。當(dāng)上下層混合完成時,30%、60%、90%充滿率的上下層平均密度差分別為0.268 kg/m3、0.824 kg/m3、1.170 kg/m3。由此可知:LNG充滿率越高,混合所需時間越長,混合后上下層平均密度差越大。

圖10 充滿率30%的LNG密度變化曲線

圖11 充滿率60%的LNG密度變化曲線

圖12 充滿率90%的LNG密度變化曲線

2.3 不同周期對翻滾的影響規(guī)律

對比工況4、工況6、工況7,研究在相同漏熱、橫搖角度、載況的條件下,不同的橫搖周期對翻滾的影響。橫搖周期為10 s、15 s、20 s時,LNG密度變化曲線見圖13~圖15。

圖13 橫搖周期為10 s的LNG密度變化曲線

圖14 橫搖周期為15 s的LNG密度變化曲線

圖15 橫搖周期為20 s的LNG密度變化曲線

根據(jù)圖13~圖15可知,不同橫搖周期下的LNG混合開始的時間基本相同,但混合結(jié)束的時間卻相差很大。橫搖周期為10 s時,LNG的密度在240 s時趨于穩(wěn)定,混合完成。橫搖周期為15 s時,上下層LNG的密度在280 s基本保持穩(wěn)定。橫搖周期為20 s時,翻滾的結(jié)束時間約為320 s。由此可知,橫搖周期越大,翻滾過程持續(xù)的時間逐漸延長,LNG的摻混作用越弱,產(chǎn)生的BOG越少。

3 結(jié)束語

本文通過擬合關(guān)聯(lián)式的方法,模擬6 000 m3的LNG-FSRU液貨艙中LNG翻滾過程,結(jié)合LNG多組分變物性的規(guī)律,通過設(shè)置多組橫搖工況,很好地模擬了晃蕩角度、晃蕩周期、液貨艙的充滿率對上下層LNG密度逆轉(zhuǎn)及翻滾產(chǎn)生的影響,并得出以下結(jié)論。

1)在載況、周期相同的情況下,橫搖角度的增大,會抑制已分層LNG流體內(nèi)部的自然對流現(xiàn)象,同時角度的增大可加速翻滾過程,縮短密度達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間。

2)LNG充滿率的增加,造成翻滾開始時間延后,持續(xù)的時間延長,且液貨艙中渦旋現(xiàn)象也隨著充滿率的增加而增多,因此產(chǎn)生的閃蒸氣量也大量增多,且混合后層間密度差減小。

3)增大橫搖周期,LNG液體上下層達到穩(wěn)定狀態(tài)的速度所需時間更長,因為增大橫搖周期,降低了液體隨液貨艙運動的頻率,使其上下層的摻混減弱。因此維持船舶穩(wěn)態(tài)對LNG水上安全儲存具有重大意義。

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