[发明专利]考虑液舱晃荡影响的FLNG运动预报方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶运动预报，尤其是涉及一种考虑液舱晃荡影响的FLNG(大型浮式液化天然气船)运动预报方法。 

背景技术

众所周知，石油资源的短缺以及对能源需求的不断增长，导致海上油气田的大规模开发，同时海洋边际气田的开发也提上了日程。为了经济有效地开发海洋边际油气田，国际上提出了大型浮式液化天然气船(以下简称FLNG)的概念。拥有庞大体积的FLNG长期系泊于作业海域，将经历复杂的海洋环境条件和各种各样的舱内液体装载状况。恶劣的海洋环境条件将引起FLNG的剧烈运动，从而引起舱内液体的晃荡。FLNG的船体运动引起舱内LNG液体晃荡，该晃荡一方面将会对夜舱壁面形成较大的冲击压力，另外一方面反过来也会影响FLNG船体的运动性能。因而，这是一种典型的耦合运动性能。因此，舱内液体晃荡与船体运动耦合响应的预报成为FLNG设计中必须考虑的重要因素之一。 

目前，数值分析是研究舱内液体晃荡对船体运动影响最主要的研究手段之一。通过数值分析，可以较为全面地获得船体运动与舱内液体之间的耦合响应，影响因素以及响应机理等内容，获得较为可靠的计算结果。计算结果可用来校验实验和数值仿真的结果精度。晃荡问题的研究，对我国FLNG液舱设计和FLNG船自主研发，都有重要的意义。舱内液体晃荡问题的难点在于准确模拟液舱内部的自由液面情况。从现有的研究报道可以看出，对于舱内液体晃荡问题的模拟方法主要为仿真计算。仿真计算虽然可以模拟舱内液体的晃荡，但仍难以考虑船体运动的影响。传统的关于晃荡的研究并没有关注与船体运动之间的耦合影响。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑液舱晃 荡影响的FLNG运动预报方法。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种考虑液舱晃荡影响的FLNG运动预报方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1)基于势流理论和面元法，在时域内对舱内液体的非线性晃荡进行描述，求得舱内液体晃荡的速度势，和晃荡所引起的液体对舱壁的压力； 

2)将步骤1)得到的压力作为船体运动方程式右端的外力输入并考虑外部波浪力的影响，计算船体的运动响应，求得船体的位置，同时进行自由液面的更新； 

3)将得到的当前时刻船体位置和更新后的自由液面作为舱内液体晃荡问题的边界条件，从而求得下一时刻舱内液体的晃荡问题，如此不断循环，至设定时间后即可停止。 

所述的速度势为一个二维矩形液舱在作周期性微幅横荡的情况下由控制方程和各边界条件以及初始条件所唯一确定的时域解。 

所述的速度势具体计算过程如下： 

11)假定舱内流体是无粘性、均匀、不可压缩和无旋的，在全局坐标系中，舱内液体的流动速度势的求解是一个混合初边值问题，其中控制方程为拉普拉斯方程，边界条件为自由面的动力学条件和运动学条件以及液舱壁不可穿透条件，初始条件为液面静止； 

12)将上述方程在全局坐标中的表达转换至随体坐标系中； 

13)将速度势分解后代入定解条件中，从而得到舱内液体非线性晃荡的定解条件在随体坐标系中的表达形式； 

14)利用该定解条件可以求得舱内液体晃荡的速度势：应用面元法对速度势进行求解，每一个单元坐标系的转换关系由一个雅可比矩阵完成，将每个单元内的变量方程及雅克比矩阵代入边界积分方程，取各个节点处的速度势进行方程组的建立并求解，可以得到各节点速度势。 

所述的舱壁的压力计算如下： 

通过引入加速度势，建立关于的边值问题并求解，并求出流体对舱壁的压力，其中为局部坐标系下舱内流体速度势。 

所述的舱壁的压力计算详细过程如下： 

通过以下方程，求得当前时刻的压力： 

p为所求的舱壁压力，ρ为液体密度，为舱内液体速度势，x和z为液体在x和z轴方向上的坐标，u和ω分别代表FLNG船体在x和z轴方向上运动的速度分量，t为时间变量，η为自由面高度，g为重力加速度； 

在上述方程中，除了其余所有参数均在步骤1)的定解问题的求解过程中得到，为了求解该未知项，引入加速度势概念，关于该未知项的边值问题表示为如下公式： 

在流域内； 

在自由液面上； 

在液舱壁面上； 

其中，a_x和a_z分别代表FLNG船体加速度在x和z方向上的分量，为FLNG船体的速度矢量，和分别代表液舱壁面的单位法向量和单位切向量；