晃蕩條件下LNG-FSRU液貨艙中LNG翻滾過程分析

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(yùn)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(jìn)行進(jìn)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(xiàn)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(yùn)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(jìn)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?dú)饨M成，上層LNG由90.72%甲烷、4.26%乙烷、5.01%丙烷、0.01%氮?dú)饨M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(jìn)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(xiàn)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(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為22 568，采用Fluent軟件進(jìn)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(jìn)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(jìn)行計算時，選取LNG液貨艙中心線處上層LNG中心A點(diǎn)、下層LNG中心C點(diǎn)、分層界面中心B點(diǎn)，分別監(jiān)測A、B、C點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行橫搖運(yùn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度所需時間更長，因?yàn)樵龃髾M搖周期，降低了液體隨液貨艙運(yùn)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。