Публикации
Моделирование поведения концептуальной плавучей установки для сжиженного природного газа на волнах с помощью STAR-CCM+
Рисунок 1: Концептуальный вид установки Prelude FLNG
(изображение предоставлено компанией Shell International Ltd.)
Есть много способов представить данные CAE/CFD моделирования. Графики и таблицы – это то, что мы чаще всего решаем использовать. Но, “Вкладки Excel… не все с ними дружат.”
Нахождение путей повышения температуры на выходе из камеры сгорания и на входе в ступень высокого давления являются ключом к повышению эффективности газовых турбин.
Введение
Prelude FLNG, находящаяся в 475 километрах от западного побережья Австралии, является первой в мире плавучей платформой для сжиженного природного газа (СПГ-платформой). Она стоит на пороге полного изменения подхода к добыче природного газа. Как крупнейший из когда-либо сконструированных морских объектов, Prelude FLNG имеет длину 488 метров, ширину 74 метра и весит около 600000 тонн.
Исследование
Размеры расчетной области для полномасштабных вычислений составляли 3000 x 800 метров. Для данных расчетов были использованы сетки с количеством ячеек от 4 до 12 миллионов ячеек, в зависимости от исследуемой частоты волны. Всего было выполнено 40 расчетов. Вычисления заняли около 700 часов с использованием от 48 до 64 ядер. В процессе моделирования глубина вода составляла от 80 до 800 метров. Данные значения были определены с целью оценить влияние отмелей/мелководья, с которыми исследователи могли столкнуться во время проведения экспериментов в испытательном бассейне, что могло бы, в свою очередь, привести к погрешностям.
Были использованы следующие особенности STAR-CCM+:
• Накладывающиеся сетки: данная сетка позволяла легко позиционировать СПГ-танкеры вблизи FLNG установки, например, для исследования влияния причаливания и швартования (на примере резонансных волн).
• Модель движения: модель динамического взаимодействия жидкости и тела (DFBI) использовалась в расчётах для учёта связки между волнами и движениями корабля.
• Модель волн: нелинейная модель Стокса 5-го порядка была выбрана для точного представления распространения волн в открытой воде. Заданная высота волны в 4 м была определена с помощью Глобальной волновой статистики BMT для интересующей морской области. Особое внимание было уделено затуханию волн с целью недопущения нежелательного отражения волн.
• Модель Объема Жидкости: многофазная модель Объема жидкости (VOF) использовалась, чтобы правильно передать интерфейс (границу раздела) между водой и воздухом и точно описать взаимодействие между корпусом судна и свободной поверхностью.
Результаты компьютерного моделирования показали, что:
• FLNG след (кильватер) накладывается на океанские волны и образует относительно спокойную область;
• Наряду с океанскими волнами высокой частоты, вокруг FLNG формируются крутые волны (c глубокими впадинами и острыми гребнями).
Будущие исследования будут посвящены тому, как причаливание СПГ-танкеров и вспомогательных судов повлияют на данную конфигурацию. В частности, будут рассматриваться следующие вопросы: как избежать резонансных волн между различными корпусами, как управлять движением кораблей во время качки, и какие правила должны быть приняты, чтобы сделать операцию безопасной.
Сравнение результатов моделирования и модельного эксперимента с коэффициентом масштабирования 1:100 показывает отличное согласование на всём диапазоне частот. Оно отмечает влияние воды на ограниченной глубине на движение FLNG установки во время качки при наличии волн с низкой частотой (см. рисунок 4).
Предполагается, что технология плавучего завода для сжиженного природного газа (FLNG) позволит обрабатывать и хранить на борту свежеизвлеченный природный газ перед его последующей загрузкой на СПГ-танкеры. Таким образом планируется эксплуатация морских ресурсов, которые ранее казались слишком дорогостоящими или сложными для разработки. В научном исследовании, проведенным Австралийским Морским Колледжем (Australian Maritime College (AMC)) — специализированным институтом при Тасманском Университете (University of Tasmania), занимающимся мореходством и морским машиностроением, — численное моделирование использовалось для изучения влияния различного поведения волн на движение и работу подобных объектов. Вычисления были произведены с помощью программного продукта STAR-CCM+®.
Первый в своем роде проект Prelude FLNG был создан по инициативе консорциума, где основным акционером является энергетическая группа Royal Dutch Shell. Теоретически, технологическое оборудование FLNG аналогично оборудованию FPSO (плавучая система по производству, хранению и выгрузки), используемом в нефтедобыче. При этом Prelude FLNG будет работать в гораздо больших масштабах. Извлеченный природный газ будет охлаждаться до -162°C, температуре, при которой он превращается в жидкость, и его объем сокращается в 600 раз. Сжиженный газ далее может легко храниться в резервуарах и загружаться на СПГ-танкеры для последующей транспортировки.
Чтобы использовать весь потенциал данной технологии, нужно убедиться, что при экстремально неблагоприятных погодных условиях, таких как шторм и большие волны:
• корпус корабля будет способен противостоять возникающим напряжениям значительной силы;
• управление кораблем, включая стыковку и загрузку СПГ-танкеров, останется возможным
Рисунок 2: Модельный эксперимент в испытательном бассейне колледжа AMC
Для получения более детальной информации о возможных условиях эксплуатации и для обеспечения непрерывной работы в колледже AMC было произведено соответствующее исследование. Научная работа включала численное моделирование и экспериментальное подтверждение того, как FLNG установки поведут себя в реальных условиях.
Проект
3-летняя научно-исследовательская работа стартовала в марте 2014 года. Начальный этап, завершенный к текущему моменту, состоял в исследовании влияния волн различных частот на ответное движение FLNG модуля.
На втором этапе, который на данный момент еще продолжается, основное внимание уделяется эксплуатационным аспектам оборудования, а именно взаимодействию между FLNG установкой и много меньшими СПГ-танкерами, а также постановке кораблей во время причаливания и швартования. Сюда также относится появление эффекта частых повторений, являющихся причиной качки, вращательных движений и нежелательных резонансных волн.
Проект проводится под управлением Yuting Jin (в настоящее время кандидат наук при колледже AMC). Его задачей является предоставление необходимой информации, с целью помочь в разработке следующих целевых направлений:
• Планирование: определение с конструктивным исполнением, подходящим для критических условий;
• Управление: установление эффективного порядка действий для безопасного управления;
• Тренировка команды: предоставление возможности четкого обучения команды на практике.
Задачи численного моделирования для AMC Search
Колледж AMC специализируется в области транспортировки и морской техники. В институте представлен широкий выбор оборудования для проведения экспериментов, в том числе 100-метровый буксировочный бассейн, резервуар с циркулирующей водой, кавитационная труба и модельный испытательный бассейн размером 12 x 35 метров. Также имеется доступ к вычислительным мощностям свыше 1500 ядер.
AMC Search – это коммерческое отделение института, которое на протяжении свыше 30 лет накапливает знания и нарабатывает методики в исследованиях и экспериментальных испытаниях, доступных в области морского судоходства в Австралии, Новой Зеландии и по всему миру. Доктор Max Haase является ответственным за внедрение CFD-моделирований в коммерческие проекты. По его утверждению за последнее время CFD-моделирование играет все более значимую роль из-за повышения требований к оценке эффективности и оптимизации конструкции, которые не могут быть достигнуты модельными экспериментами в связи со стоимостью и необходимыми времязатратами. Использование STAR-CCM+ является основным инструментом для CFD-исследований в AMC Search, благодаря своим универсальным возможностям моделирования, удобному интерфейсу и скорости вычислений.
Буксировочный испытательный бассейн в сравнении с компьютерным моделированием
На протяжении более 150 лет буксировочные бассейны были незаменимым инструментом для конструирования, оптимизации и оценки производительности кораблей. Со временем, используемые процедуры доказали свою эффективность и достигли высокой степени точности. Однако, натурное испытание, как правило, не доступно до поздней стадии разработки, в то время, как проект и конструкторская работа уже идут полным ходом. Более того, конструкторская работа и внесение значительных изменений в конкретную модель могут быть в значительной степени времязатратными и дорогими. Современные циклы разработки требуют достаточной гибкости в подходах и при внедрении инновационных решений, что в конкретных условиях ограничивается устоявшимися характеристиками испытательных бассейнов. Также, ограничение накладывается размерами самой испытательной модели, несравнимой с натуральными.
В результате, все большее число инженеров склоняются к использованию численного моделирования для оценки сложных систем на как можно более ранней стадии процесса разработки. Программные средства моделирования, такие как STAR-CCM+, доказали, что их точность соизмерима с точностью экспериментов в испытательном бассейне. При этом они дают реалистичные прогнозы, позволяя моделировать корабли и морские платформы в полномасштабном размере, тем самым исключая важные неточности, появляющиеся в результате масштабирования модели. Тестирование масштабных моделей остается актуальным с точки зрения не только демонстрации работоспособности программных расчетов, но также верности предположений на основе проведения различных конструкторских исследований.
Рисунок 3: Исследование реакции движения FLNG платформы в STAR-CCM+
Рисунок 4: Результирующие волны при разных частотах
Рисунок 5: График скорости килевой качки, полученной при CFD-моделировании и эксперименте, от частоты волны
Max Haase, консультант в AMC Search Ltd.
В 2008 году Max Haase закончил Ростокский университет (Германия) со cтепенью магистра в области кораблестроения, а в 2015 году получил степень доктора наук в области морской инженерии в Австралийском Морском Колледже при Тасманском университете. Его опыт в численном моделировании охватывает морские надводные суда от малых беспилотных автономных спасательных суден до больших быстрых катамаранов. Его текущая роль в Австралийском морском колледже включает как преподавательскую деятельность, так и проведение гидрогазодинамических расчетов) для коммерческих проектов в морской промышленности.
Yuting Jin, аспирант в AMC
В 2013 году Yuting Jin получил степень с отличием бакалавра технических наук в морском строительстве в Австралийском Морском Колледже при Тасманском университете, а сейчас трудится над кандидатской работой в области морской инженерии. Его работа посвящена вычислениям в гидрогазодинамике для прогнозирования маневренности надводных судов и гидрогазодинамического взаимодействия судно-судно. В перспективе он рассматривает применение результатов своих исследований для использования в вопросах крупных морских сооружений.
Заключение
Данная работа подчеркивает, как использование численного моделирования с применением методов вычислительной гидрогазодинамики может помочь инженерам в принятии решения не только относительно конструкции корпуса и конфигурации оборудования, но и управления кораблем.
В AMC Search эти результаты будут использованы для разработки рекомендаций и эксплуатационных нормативов для трех ключевых областей: планирование, управление и тренировка команды. Для мистера Haase этот проект является ценным по другой причине: “В настоящее время всё больше внимания уделяется CFD технологиям, а не консервативной морской области. Тем не менее, по сравнению с Европой, где существует множество испытательных тестовых бассейнов, организаций и обслуживающих компаний со схожими интересами, CFD еще не раскрыл свой значительный потенциал для морской индустрии в Австралии. Мы верим, что данным проектом мы продемонстрировали возможности CFD моделирования и показали использование метода для применения в морском деле.”
Благодарности
Проект проводился по инициативе и под руководством A/Prof.Shuhong Chai,
Prof.Neil Bose, Dr. Jonathan Duffy и Dr. Chris Chin из Австралийского Морского Колледжа
Dynamics, выпуск 41, стр. 17 – 21
