晃荡条件下LNG-FSRU液货舱中LNG翻滚过程分析

门 皓，朱汉华，朱志鹏，李昭辉，张 梦

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

海上浮式LNG接收终端(LNG-FSRU)作为海上LNG接收终端，受到海水波动的影响，当舱室处于非满载情况时舱内会发生晃荡现象[1-2]。图1为船舶在水中晃荡的激励方式，根据图1可知，在二维平面上的激励主要有X方向的纵摇和Z方向的横摇2种激励方式，且横摇对于液货舱中液体的稳定性影响大于纵摇[3]，同时LNG液体在储运过程中会伴随着分层和翻滚现象。因此选用横摇的激励方式，针对晃荡条件对LNG-FSRU的液货舱翻滚问题的影响进行进一步分析。

图1 船舶在水中晃荡的激励方式

目前，现有文献对LNG分层与翻滚的影响数值模拟研究中大都采取定物性，且研究对象大多数为岸上静止圆柱型储罐，对于LNG-FSRU的研究较少，并且复杂海况影响LNG的分层与翻滚，会呈现出不同的运动规律[4]。因此研究横摇条件下LNG的翻滚过程具有重要意义。

1 模型及计算方法

1.1 物理模型

选取的模拟对象为系泊于水深40～60 m的海上LNG-FSRU，容积为6 000 m3的薄膜型液货舱，考虑到采用三维模型会降低计算效率，将薄膜型液货舱简化为二维模型进行分层和翻滚的模拟，薄膜型液货舱二维尺寸模型如图2所示，其中，l=20 m，h1=2.5 m，h2=2.0 m，h=15 m。

图2 薄膜型液货舱二维尺寸模型

本文研究对象为已形成分层条件下横摇对液货舱LNG内流场、速度场的影响情况，对引起分层的原因和过程不做研究。假设初始情况分层已经产生，通过对不同分层设置不同的初始温度，定义出不同密度，并分为上、下2层。其中上层为密度较大的LNG液体，且下层温度高于上层，2层之间有固定分界线，在底部和侧壁有均匀热流量q。

材料选取2种组成成分不同的LNG，其中下层LNG由92.55%甲烷、5.24%乙烷、2.13%丙烷、0.08%氮气组成，上层LNG由90.72%甲烷、4.26%乙烷、5.01%丙烷、0.01%氮气组成。并通过查取LNG在不同温度下物性变化规律，将密度、定压比热容、导热系数、黏度等重要物性参数近似拟合成只与温度相关的一元一次方程，其中a、b分别为一元一次方程的系数且为固定值，T为温度。由于LNG的各种物质组分比例不同，所以同一物性参数中，上、下层LNG的a、b值不相同。拟合后LNG物性关联式如表1所示。

表1 拟合后LNG物性关联式

1.2 翻滚模型简化

将LNG液货舱内分层与翻滚的模型进行如下简化。

1)以图1中6 000 m3的LNG-FSRU液货舱为例，建立二维模型，不考虑壁厚。设置其容积率分别为30%、60%、90%，经计算其液面高度分别为4.5 m、7.0 m、12.0 m。

2)模拟中采用表1中的LNG物性，取上层LNG温度为111.2 K，下层温度为111.5 K，且侧边和底部均有漏热。

3)为研究晃荡条件对翻滚的干扰，排除其他影响因素，该模拟均采用二分层，且忽略LNG液体汽化等相变过程，以及由汽化引起的压力变化。

4)查阅相关文献可知，中国南海近100年中，极端天气环境下的波参数为：谱峰周期14.6 s，有效周期13.7 s，跨零周期11.4 s。本次选取10 s、15 s、20 s这3种周期进行模拟[5]。

5)我国南海作业海况的最大横摇角度为6°[6]，因此选取的横摇角度为5°、4°、3°、2°，均小于6°。

在计算区域内采用结构化网格进行网格划分，总网格数为22 568，采用Fluent软件进行数值模拟，并应用瞬态模型、能量方程、k-ε方程，横摇工况下，我们要对气-液界面进行追踪，因此选用VOF模型。本文所模拟的各种工况条件如表2所示。对所有工况进行计算时，选取LNG液货舱中心线处上层LNG中心A点、下层LNG中心C点、分层界面中心B点，分别监测A、B、C点处的密度。简化后的物理模型及监测位置示意图如图3所示。

表2 工况条件

图3 简化后的物理模型及监测位置示意图

根据表2进行对比分析，将得到以下3种情况的结果：①对比1、2、4工况，研究在相同漏热、充满率、周期下，不同横摇角度对翻滚的影响；②对比3、4、5工况，研究在相同横摇角度、漏热、周期下，不同充满率对翻滚过程的影响；③对比4、6、7工况，研究在相同充满率、晃荡角度、漏热条件下，不同晃荡周期对翻滚的影响。

1.3 边界条件

本文主要模拟横摇条件下的翻滚过程，因此模型中设置重力加速度，采用滑移网格的方法，通过编写用户自定义函数(UDF)，可以使液货舱模型按照我们定义的轨迹和速度进行横摇运动。

2 结果分析

2.1 不同横摇角度对翻滚的影响规律

对比1、2、4工况，其横摇角度分别为3°、4°、5°，液货舱的充满率皆为60%，上下LNG的分层高度为3.5 m，其晃荡周期均为15 s，不同横摇角度的各时刻相云图如图4～图6所示。

根据图4～图6可知，横摇对液货舱内流场产生了极大的影响。在初始时刻(t=10 s)，液-液分界面在晃荡作用和重力作用下，开始发生轻微变形。在t=20 s时，分界面处已经呈现扭曲，此时分界面在重力和横摇激励影响下不再稳定，分界面两侧密度不同的LNG互相掺混，翻滚过程加剧。随着横摇角度的增大，其界面的扭曲程度也随之增大，并开始剧烈混合；但横摇角度越大，混合程度越剧烈。而且，在横摇激励下LNG的翻滚会产生大量涡旋，横摇角度越大，涡旋越少。当横摇角度为5°时，液货舱内LNG液体的速度主要沿横摇进行的方向，说明液货舱横摇速度越快，对LNG翻滚的抑制作用越大。

图4 横摇角度为3°的各时刻相云图

图5 横摇角度为4°的各时刻相云图

图6 横摇角度为5°的各时刻相云图

图7～图9为不同横摇角度的LNG密度变化曲线图。根据图像可知，初始阶段(0～40 s)，上下层密度差保持不变，均为3.741 kg/m3。40～200 s过程中，翻滚开始发生，且LNG密度变化较为剧烈。200～250 s属于翻滚减弱平复阶段，最终上下层LNG密度逐渐趋于稳定。通过数据知，横摇角度3°的上下层密度达到稳定状态的时间约为300 s，横摇角度为5°的上下层密度趋于稳定的时间约为280 s，且翻滚平稳后，横摇角度为3°、4°、5°上下层LNG的平均密度差分别为：0.938 kg/m3，0.864 kg/m3，0.824 kg/m3。由此可知：横摇角度越大，LNG混合完全后平均密度差越小。

图7 横摇角度3°的LNG密度变化曲线

图8 横摇角度4°的LNG密度变化曲线

图9 横摇角度为5°的LNG密度变化曲线

2.2 不同载况对翻滚的影响规律

对比工况3、工况4、工况5，研究不同的载况对翻滚的影响。其液货舱的充满率分别为30%、60%、90%，其液面高度分别为4.5 m、7.0 m、12.0 m，且均为2分层。不同充满率的液货舱中LNG的密度变化曲线如图10～图12所示。

根据图10～图12可知，液货舱中LNG在翻滚过程中密度变化趋势基本一致。30%充满率的LNG开始翻滚时间大约为20 s，其密度达到平稳的时间为200 s；90%充满率翻滚开始时间约为50 s，翻滚结束时间约为350 s。由此可知，随着充满率的增大，翻滚持续时间也大大延长。当上下层混合完成时，30%、60%、90%充满率的上下层平均密度差分别为0.268 kg/m3、0.824 kg/m3、1.170 kg/m3。由此可知：LNG充满率越高，混合所需时间越长，混合后上下层平均密度差越大。

图10 充满率30%的LNG密度变化曲线

图11 充满率60%的LNG密度变化曲线

图12 充满率90%的LNG密度变化曲线

2.3 不同周期对翻滚的影响规律

对比工况4、工况6、工况7，研究在相同漏热、横摇角度、载况的条件下，不同的横摇周期对翻滚的影响。横摇周期为10 s、15 s、20 s时，LNG密度变化曲线见图13～图15。

图13 横摇周期为10 s的LNG密度变化曲线

图14 横摇周期为15 s的LNG密度变化曲线

图15 横摇周期为20 s的LNG密度变化曲线

根据图13～图15可知，不同横摇周期下的LNG混合开始的时间基本相同，但混合结束的时间却相差很大。横摇周期为10 s时，LNG的密度在240 s时趋于稳定，混合完成。横摇周期为15 s时，上下层LNG的密度在280 s基本保持稳定。横摇周期为20 s时，翻滚的结束时间约为320 s。由此可知，横摇周期越大，翻滚过程持续的时间逐渐延长，LNG的掺混作用越弱，产生的BOG越少。

3 结束语

本文通过拟合关联式的方法，模拟6 000 m3的LNG-FSRU液货舱中LNG翻滚过程，结合LNG多组分变物性的规律，通过设置多组横摇工况，很好地模拟了晃荡角度、晃荡周期、液货舱的充满率对上下层LNG密度逆转及翻滚产生的影响，并得出以下结论。

1)在载况、周期相同的情况下，横摇角度的增大，会抑制已分层LNG流体内部的自然对流现象，同时角度的增大可加速翻滚过程，缩短密度达到稳定状态所需时间。

2)LNG充满率的增加，造成翻滚开始时间延后，持续的时间延长，且液货舱中涡旋现象也随着充满率的增加而增多，因此产生的闪蒸气量也大量增多，且混合后层间密度差减小。

3)增大横摇周期，LNG液体上下层达到稳定状态的速度所需时间更长，因为增大横摇周期，降低了液体随液货舱运动的频率，使其上下层的掺混减弱。因此维持船舶稳态对LNG水上安全储存具有重大意义。