考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法技術

本發明專利技術涉及一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，包括以下步驟：1)基于勢流理論和面元法，在時域內對艙內液體的非線性晃蕩進行描述，求得艙內液體晃蕩的速度勢，和晃蕩所引起的液體對艙壁的壓力；2)將步驟1)得到的壓力作為船體運動方程式右端的外力輸入并考慮外部波浪力的影響，計算船體的運動響應，求得船體的位置，同時進行自由液面的更新；3)將得到的當前時刻船體位置和更新后的自由液面作為艙內液體晃蕩問題的邊界條件，從而求得下一時刻艙內液體的晃蕩問題，如此不斷循環，至設定時間后即可停止。與現有技術相比，本發明專利技術具有節約計算時間，大大提高了液艙和FLNG的設計效率等優點。

【技術實現步驟摘要】
考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法
本專利技術涉及一種船舶運動預報，尤其是涉及一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG(大型浮式液化天然氣船)運動預報方法。
技術介紹
眾所周知，石油資源的短缺以及對能源需求的不斷增長，導致海上油氣田的大規模開發，同時海洋邊際氣田的開發也提上了日程。為了經濟有效地開發海洋邊際油氣田，國際上提出了大型浮式液化天然氣船(以下簡稱FLNG)的概念。擁有龐大體積的FLNG長期系泊于作業海域，將經歷復雜的海洋環境條件和各種各樣的艙內液體裝載狀況。惡劣的海洋環境條件將引起FLNG的劇烈運動，從而引起艙內液體的晃蕩。FLNG的船體運動引起艙內LNG液體晃蕩，該晃蕩一方面將會對夜艙壁面形成較大的沖擊壓力，另外一方面反過來也會影響FLNG船體的運動性能。因而，這是一種典型的耦合運動性能。因此，艙內液體晃蕩與船體運動耦合響應的預報成為FLNG設計中必須考慮的重要因素之一。目前，數值分析是研究艙內液體晃蕩對船體運動影響最主要的研究手段之一。通過數值分析，可以較為全面地獲得船體運動與艙內液體之間的耦合響應，影響因素以及響應機理等內容，獲得較為可靠的計算結果。計算結果可用來校驗實驗和數值仿真的結果精度。晃蕩問題的研究，對我國FLNG液艙設計和FLNG船自主研發，都有重要的意義。艙內液體晃蕩問題的難點在于準確模擬液艙內部的自由液面情況。從現有的研究報道可以看出，對于艙內液體晃蕩問題的模擬方法主要為仿真計算。仿真計算雖然可以模擬艙內液體的晃蕩，但仍難以考慮船體運動的影響。傳統的關于晃蕩的研究并沒有關注與船體運動之間的耦合影響。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，包括以下步驟：1)基于勢流理論和面元法，在時域內對艙內液體的非線性晃蕩進行描述，求得艙內液體晃蕩的速度勢，和晃蕩所引起的液體對艙壁的壓力；2)將步驟1)得到的壓力作為船體運動方程式右端的外力輸入并考慮外部波浪力的影響，計算船體的運動響應，求得船體的位置，同時進行自由液面的更新；3)將得到的當前時刻船體位置和更新后的自由液面作為艙內液體晃蕩問題的邊界條件，從而求得下一時刻艙內液體的晃蕩問題，如此不斷循環，至設定時間后即可停止。所述的速度勢為一個二維矩形液艙在作周期性微幅橫蕩的情況下由控制方程和各邊界條件以及初始條件所唯一確定的時域解。所述的速度勢具體計算過程如下：11)假定艙內流體是無粘性、均勻、不可壓縮和無旋的，在全局坐標系中，艙內液體的流動速度勢的求解是一個混合初邊值問題，其中控制方程為拉普拉斯方程，邊界條件為自由面的動力學條件和運動學條件以及液艙壁不可穿透條件，初始條件為液面靜止；12)將上述方程在全局坐標中的表達轉換至隨體坐標系中；13)將速度勢分解后代入定解條件中，從而得到艙內液體非線性晃蕩的定解條件在隨體坐標系中的表達形式；14)利用該定解條件可以求得艙內液體晃蕩的速度勢：應用面元法對速度勢進行求解，每一個單元坐標系的轉換關系由一個雅可比矩陣完成，將每個單元內的變量方程及雅克比矩陣代入邊界積分方程，取各個節點處的速度勢進行方程組的建立并求解，可以得到各節點速度勢。所述的艙壁的壓力計算如下：通過引入加速度勢，建立關于的邊值問題并求解，并求出流體對艙壁的壓力，其中為局部坐標系下艙內流體速度勢。所述的艙壁的壓力計算詳細過程如下：通過以下方程，求得當前時刻的壓力：p為所求的艙壁壓力，ρ為液體密度，為艙內液體速度勢，x和z為液體在x和z軸方向上的坐標，u和ω分別代表FLNG船體在x和z軸方向上運動的速度分量，t為時間變量，η為自由面高度，g為重力加速度；在上述方程中，除了其余所有參數均在步驟1)的定解問題的求解過程中得到，為了求解該未知項，引入加速度勢概念，關于該未知項的邊值問題表示為如下公式：在流域內；在自由液面上；在液艙壁面上；其中，ax和az分別代表FLNG船體加速度在x和z方向上的分量，為FLNG船體的速度矢量，和分別代表液艙壁面的單位法向量和單位切向量；解得以上定解問題后，即可根據壓力公式求得流場內的壓力分布，沿壁面壓力積分，得到艙壁上的壓力。所述的船體運動方程式具體如下：其中mjk,μjk和cjk分別代表浮體的質量、頻率無窮大時的附加質量以及靜水恢復力系數；k和j代表船體運動模態；ξk為船體位移向；Fj(t)代表作用于FLNG船體上的力，包括外部波浪力以及內部液體晃蕩引起的作用力；hjk(t-τ)代表延時函數，表征流體的記憶效應，τ為參數。所述的自由液面的更新具體為：根據半拉格朗日方法更新邊界節點的位置及節點上的變量值：假定自由面上的節點僅做垂向運動，則可以得到節點的速度矢量、自由面上變量的全導數，從而得到自由面上速度勢的全導數和進行自由液面、速度勢更新的方程：為自由面液體速度勢，x和z為液體在x和z軸方向上的坐標，u和ω分別代表FLNG船體在x和z軸方向上運動的速度分量，t為時間變量，η為自由面高度，g為重力加速度；通過這兩個方程對自由液面處的速度勢及波面升高進行更新。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：(1)在時域耦合計算模型中，采用半拉格朗日方法對艙內液體晃蕩時的非線性自由液面進行捕捉，使得自由面模型更加精確；(2)基于加速度勢概念，建立了關于加速度勢的初邊值問題，從而更為精確地報艙內液體晃蕩對艙壁造成的沖擊力；(3)本方法比CFD方法更為節約計算時間，大大提高了液艙和FLNG的設計效率。附圖說明圖1是液艙晃蕩問題的計算域示意圖；其中LW為液艙壁，LF為自由表面，X、Z分別為水平及垂直坐標。圖2是二維船體運動計算域示意圖；其中LB為船體濕表面，LL、LR分別為左右側邊界，LF為自由液面，H為水深，D+、D-為計算域，X、Z分別為水平及垂直坐標。圖3是液艙與船體運動耦合示意圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術進行詳細說明。實施例以下實施例在以本專利技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述的實施例。本專利技術提供一種船舶運動預報方法，其步驟包括：第一、求一個矩形液艙在一個時間步內艙內液體流動的速度勢。第二、引入加速度勢，建立了關于加速度勢的邊值問題，求得流體對艙壁的壓力。第三，建立船體運動的邊值問題，求得速度勢，波浪力，阻尼系數和延遲函數，建立運動方程。第四、求解運動方程，獲得船舶位置和速度。由采用半拉格朗日方法進行數值模擬，以表征一個時間步后液艙內自由液面的變化。船舶的位置和液艙自由面情況將作為第一步中求解速度勢的液艙邊界條件。對于步驟一：假定艙內流體是無粘性、均勻、不可壓縮和無旋的，在全局坐標系中，艙內液體的流動速度勢的求解是一個混合初邊值問題：控制方程為拉普拉斯方程，邊界條件為自由面的動力學條件和運動學條件以及液艙壁不可穿透條件，初始條件為液面靜止。在實際的數值計算中，需要將上述方程在全局坐標中的表達轉換至隨體坐標系中。將速度勢分解后代入定解條件中，從而得到艙內液體非線性晃蕩的定解條件在隨體坐標系中的表達形式。利用該定解條件可以求得艙內液體晃蕩的速度勢。應用面元法對速度勢進行求解。每一個單元坐標系的轉換關本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，包括以下步驟：?1)基于勢流理論和面元法，在時域內對艙內液體的非線性晃蕩進行描述，求得艙內液體晃蕩的速度勢，和晃蕩所引起的液體對艙壁的壓力；?2)將步驟1)得到的壓力作為船體運動方程式右端的外力輸入并考慮外部波浪力的影響，計算船體的運動響應，求得船體的位置，同時進行自由液面的更新；?3)將得到的當前時刻船體位置和更新后的自由液面作為艙內液體晃蕩問題的邊界條件，從而求得下一時刻艙內液體的晃蕩問題，如此不斷循環，至設定時間后即可停止。

【技術特征摘要】
1.一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，包括以下步驟：1)基于勢流理論和面元法，在時域內對艙內液體的非線性晃蕩進行描述，求得艙內液體晃蕩的速度勢，和晃蕩所引起的液體對艙壁的壓力；2)將步驟1)得到的壓力作為船體運動方程式右端的外力輸入并考慮外部波浪力的影響，計算船體的運動響應，求得船體的位置，同時進行自由液面的更新；3)將得到的當前時刻船體位置和更新后的自由液面作為艙內液體晃蕩問題的邊界條件，從而求得下一時刻艙內液體的晃蕩問題，如此不斷循環，至設定時間后即可停止。2.根據權利要求1所述的一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，所述的速度勢為一個二維矩形液艙在作周期性微幅橫蕩的情況下由控制方程和各邊界條件以及初始條件所唯一確定的時域解。3.根據權利要求2所述的一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，所述的速度勢具體計算過程如下：11)假定艙內流體是無粘性、均勻、不可壓縮和無旋的，在全局坐標系中，艙內液體的流動速度勢的求解是一個混合初邊值問題，其中控制方程為拉普拉斯方程，邊界條件為自由面的動力學條件和運動學條件以及液艙壁不可穿透條件，初始條件為液面靜止；12)將上述方程在全局坐標中的表達轉換至隨體坐標系中；13)將速度勢分解后代入定解條件中，從而得到艙內液體非線性晃蕩的定解條件在隨體坐標系中的表達形式；14)利用該定解條件可以求得艙內液體晃蕩的速度勢：應用面元法對速度勢進行求解，每一個單元坐標系的轉換關系由一個雅可比矩陣完成，將每個單元內的變量方程及雅克比矩陣代入邊界積分方程，取各個節點處的速度勢進行方程組的建立并求解，可以得到各節點速度勢。4.根據權利要求2所述的一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，所述的艙壁的壓力計算如下：通過引入加速度勢，建立關于的邊值問題并求解，并求出流體對艙壁的壓力，其中為局部坐標系下艙內流體速度勢。5.根據權利要求4所述的一種考慮液艙晃蕩影響的FLNG運動預報方法，其特征在于，所述的艙壁的壓力計算詳細過程如下：通過以下方程，求得當前時刻的壓力：p為所求的艙壁壓力，ρ為液體...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡志強，楊建民，趙文華，王舒雅，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31