波浪作用下毗邻液舱浮体水动力特性试验研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangzhubin
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浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置。通过系泊系统定位于海上,具有开采、处理、液化、储存和装卸天然气的功能。与液化天然气(LNG)船搭配使用,实现海上天然气田的开采和天然气运输。在海上旁靠作业时,船体之间形成的间隙会引起流体的振动。类似的现象还可能发生在钻井船内部的月池结构中。间隙内流体的大幅振荡产生的波浪力威胁到结构物和工程作业的安全。液化天然气(LNG)船在运输天然气的过程中,液体在液舱中晃荡产生的晃荡力作用于船舶,影响船舶运动。同时,船舶运动也激励液舱中流体的运动。二者之间的耦合作用影响到船舶安全航行。鉴于此,本文就有液舱晃荡作用的毗邻双浮体在入射波浪激励下的运动响应以及间隙中波浪场的变化进行了研究。试验中设置两个尺寸相同的箱型浮体。迎浪侧浮体设置有液舱,可以借助滑轮做沿水槽长度方向的单自由度运动。研究内容分别为毗邻浮体对波浪场的影响、毗邻运动浮体对波浪场的影响、毗邻运动浮体的运动响应分析、毗邻有液舱运动浮体对波浪场的影响和毗邻有液舱运动浮体的运动响应分析。首先,本文研究了毗邻浮体对波浪场的影响分析。改变的参数有浮体长度和间隙宽度。研究内容包括间隙内波长和波浪幅值的变化、间隙内波浪场非线性以及波浪场的透反射系数。研究发现长周期入射波时,间隙内形成波长等于间隙长度的驻波,与间隙宽度和浮体长度无关。在短周期时,驻波波长等于入射波长,与间隙宽度和浮体长度无关。间隙中驻波幅值随着浮体长度的缩短和间隙宽度的增加而下降。间隙内波浪场中的非线性受到间隙宽度的影响。随着间隙宽度的增加,在两种浮体长度下驻波的非线性在低频入射波的情况下更为明显。在透反射系数的比较中,当浮体长度等于水槽宽度时,间隙中波幅的变化趋势与反射系数的变化趋势相反,与透射系数的变化趋势相同。由于波浪的叠加作用,其他两种浮体长度对应的透射系数均大于1。随后,本文研究了毗邻运动浮体对波浪场的影响。通过改变间隙的宽度和弹簧刚度,研究间隙内波长和波浪幅值的变化以及间隙内波浪场非线性。研究发现驻波的波长在低频入射波时,不再与入射波长相等,波长等于间隙的长度。浮体运动时对应的间隙波幅大于浮体固定时的波幅。间隙中驻波幅值随着间隙增大和弹簧刚度的减小而减小。随着间隙宽度的增加,运动浮体对应的幅值曲线波峰波谷的之间的差值逐渐小于固定浮体对应的差值。对间隙中波浪场的非线性而言,浮体运动时间隙中波浪场的非线性强于固定情况。在高频入射波的情况下驻波有明显非线性并且不随间隙宽度而发生改变。在低频入射波时,驻波的非线性受到间隙宽度的影响,在某些间隙宽度下,非线性减弱,波形更接近于正弦波。其次,本文研究了毗邻运动浮体的运动响应。分析浮体的自由振动曲线后发现,随着间隙宽度的增大,曲线的衰减速度先减小后增大。硬弹簧对应曲线的衰减速度慢于软弹簧。位移曲线和波激响应曲线均表现出随着入射周期的增大而上升的趋势。改变弹簧刚度和间隙宽度只改变浮体位移和波激响应的幅值,对于曲线的变化趋势没有影响。同一入射波下,间隙越窄,弹簧刚度越小对应的位移幅值和波激响应幅值越大。然后,本文研究了毗邻有液舱运动浮体波对波浪场的影响。通过改变间隙的宽度、弹簧刚度和液舱深度研究间隙内波幅变化、液舱内波幅变化和间隙内波浪场的非线性。研究发现,同一入射波周期下,随着间隙宽度、弹簧刚度和液舱深度的增加,驻波波长减小。对波浪幅值而言,有液舱运动浮体对应的间隙波浪幅值大于无液舱运动浮体的间隙波浪幅值大于固定浮体的间隙波浪幅值。间隙内波浪幅值变化趋势与液舱波浪幅值变化趋势一致。间隙宽度越小,弹簧刚度越小则间隙波浪幅值越大。液舱深度的增加,使得幅值曲线峰值周期向高频过渡。不同间隙宽度、弹簧刚度和液舱深度下驻波在高频入射波下均表现出明显的非线性。而在低频入射波时,受到间隙宽度的影响,随着间隙宽度的增加,波浪非线性先减弱后增大。最后,本文研究了毗邻有液舱运动浮体的运动响应。对浮体的自由衰减特性进行分析,发现随着间隙宽度的增加和液舱深度的减小,阻尼比先增大再减小后增大。软弹簧对应曲线的衰减速度大于硬弹簧曲线。受到间隙宽度、弹簧刚度和液舱深度影响的位移幅值曲线和波激响应曲线随入射波周期的变化趋势与相应的间隙波幅曲线和液舱波幅曲线变化一致。
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