3000t級近海油輪液艙晃蕩研究

張干

摘 要：液艙晃蕩是發(fā)生于部分充滿液體容器內(nèi)部的一類波動現(xiàn)象，此類現(xiàn)象于船舶工程應(yīng)用中普遍存在。而近年來，隨世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于油輪運(yùn)輸需求的增大，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L，所以在設(shè)計(jì)中考慮晃蕩載荷就成為了設(shè)計(jì)油輪的一個(gè)必要需求。而油輪在航行過程中一旦出現(xiàn)漏油事故，對于整個(gè)海域的生態(tài)環(huán)境將是毀滅性打擊。針對以上突出問題，本文采用一艘3000t級近海油輪作為研究對象，依據(jù)《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件評估指南2014》對液艙參數(shù)及晃蕩水平予以分級，計(jì)算出船體橫搖周期，縱搖周期以及諧振幅值范圍。完成該油輪水平一晃蕩載荷，水平二晃蕩載荷和水平三晃蕩載荷計(jì)算。

關(guān)鍵詞：近海油輪;液艙晃蕩載荷;構(gòu)件尺寸

中圖分類號：U66? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0103-02

1 研究的背景和意義

隨著海洋油氣資源的不斷開采，船舶對于液化天然氣和石油的運(yùn)輸距離在不斷增加，運(yùn)輸量也不斷地提高[1]。根據(jù)ABS船級社的數(shù)據(jù)可知，從2005年到2015年，LNG船數(shù)量的增長達(dá)到了每年5%，而超大液化船（VLGC船）也隨之出現(xiàn)[2]。對于這類大運(yùn)量的運(yùn)輸船而言，液艙寬度更寬，深度更深，在航行過程中會發(fā)生更為激烈的晃蕩，艙壁及船體結(jié)構(gòu)將在航行過程中不斷受到?jīng)_擊壓力的影響[3]。因此，如何保證晃蕩載荷在安全范圍之內(nèi)，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)此類船舶的一個(gè)重點(diǎn)問題。

2 計(jì)算軟件選取

艙內(nèi)液體的晃動是由船在波浪上的運(yùn)動激勵(lì)所產(chǎn)生的，艙壁上也會同時(shí)受到晃蕩所產(chǎn)生的沖擊力，船舶的正常航行也會因此受到影響。Openfoam是一個(gè)面向CFD的程序庫，此程序是由C++進(jìn)行編寫的，它計(jì)算的核心是根據(jù)有限體積法來解決偏微分方程。由于Openfoam的發(fā)放特性，用戶可以利用面向?qū)ο蟮某绦蛞约巴晟频姆謱涌蚣軄黹_發(fā)新的模型和相應(yīng)的求解器。對于液艙晃蕩問題的研究，Openfoam可以使用interDyMFoam中的兩相網(wǎng)格求解器來求解VOF中捕捉到的自由液面。動態(tài)網(wǎng)格的有效處理在晃蕩問題的研究中是不可缺少的，而 Openfoam 實(shí)現(xiàn)了較為多樣化的動態(tài)網(wǎng)格的類型，對于晃蕩問題中剛性邊界移動這樣的問題，Openfoam都可以很好地進(jìn)行處理運(yùn)算，所有的運(yùn)動形式都可以被定義，在晃蕩的研究過程中提供了很好的模擬平臺。

3 水平晃蕩載荷計(jì)算

如表1所示即3000t級油輪（雙底雙舷）的主要尺寸：

此次研究中我們僅選取水平一和水平三兩種典型狀態(tài)進(jìn)行研究。

水平一準(zhǔn)靜態(tài)晃蕩載荷是因?yàn)橐好娴淖兓缓笤谝号撋袭a(chǎn)生的壓力。液體的靜水壓力可以由公式P= pgh計(jì)算得到，其中h 為距離液面的深度，因此，水平一的載荷可以通過液面的方程得到。

如果是進(jìn)行縱向的晃蕩運(yùn)動，此時(shí)就要對裝載的總體積V以及零介體積V進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算總體積的時(shí)候需要考慮艙室的高度、艙室的形狀來進(jìn)行有效的計(jì)算?？紤]V與 V臨的大小從而判斷出液面的線性方程和液艙位置的具體交叉點(diǎn)，這里利用等體積法進(jìn)行計(jì)算：

如果晃蕩的運(yùn)動為橫向運(yùn)動的時(shí)候，所運(yùn)用到的計(jì)算方法和縱向的計(jì)算方法相似，這時(shí)需要分解總的面積和臨界的面積，這樣就可以得到液面的線性方程和液艙的具體交叉位置，可以簡化，然后利用等面積的方法來計(jì)算結(jié)果。

再根據(jù)此計(jì)算結(jié)果選取最大橫搖和縱搖下液面所達(dá)到的最大壓力進(jìn)行尺寸評估。艙室參數(shù)和有效晃蕩長度和寬度如表2所示：

基于openfoam進(jìn)行水平三縱向晃蕩運(yùn)動載荷計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3.5所示。

因此，橫艙壁水平三縱向運(yùn)動晃蕩載荷最大值為195.49kPa，內(nèi)底板水平三縱向運(yùn)動晃蕩載荷最大值為169.42kPa，甲板水平三縱向運(yùn)動晃蕩載荷最大值為195.49kPa。

4 總結(jié)

本文根據(jù)2014年《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件尺寸評估指南》的規(guī)定，目標(biāo)油船后進(jìn)行了液艙晃蕩計(jì)算，并利用openfoam對水平三晃蕩進(jìn)行了計(jì)算，可知改裝后的油船滿足晃蕩的規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 錢伯章， 朱建芳. 世界液化石油氣的市場與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 天然氣與石油 2008，26 （3）

[2] 張曉霞，天然氣應(yīng)用與節(jié)能減排[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科2010，27 （001）

[3] 王慶豐， 韓純強(qiáng)， 李永正. LNG運(yùn)輸船液艙圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺強(qiáng)度衡準(zhǔn)研究[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， 27（1）：5-9.