Vergleich zweier Methoden zur Berechnung hydrodynamischer Lasten auf einen LNG Pumpenturm
Michael Thome, Universität Duisburg-Essen
Für die Be- und Entladung von Flüssigerdgas (LNG) auf LNG-Tankern werden Pumpentürme genutzt. In der Entwurfsphase von Pumpentürmen werden die darauf wirkenden hydrodynamischen Belastungen üblicherweise, gemäß gängiger Regeln und Richtlinien, mit der Morison Gleichung ermittelt. Damit können hydrodynamische Lasten in Strömungsrichtung, jedoch nicht senkrecht dazu, berechnet werden. Stoßbelastungen werden ebenfalls nicht berücksichtigt. Die Gleichung benötigt als Eingabedaten die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverteilung entlang der Struktur sowie einen Trägheits- und Strömungswiderstandskoeffizienten. Die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen können über Messungen, analytischen Berechnungen oder numerischen Simulationen ohne Vorhandensein der Struktur ermittelt werden.
Da Stoßbelastungen eine wichtige Rolle für die Konstruktion eines LNG-Ladetanks und bei Offshore-Strukturen spielen, stellt sich die Frage, ob diese Lasten auch für einen Pumpenturm relevant sind. Ferner wird angenommen, dass die Lasten durch andere, mit der Strömung wechselwirkende Bauteile, beeinflusst werden.
Es wird eine numerische Vergleichsstudie über die Belastung von LNG-Pumpentürmen vorgestellt. Die numerische Simulation der Zweiphasenströmung wurde mit Feldmethoden durchgeführt. Um die Strömung in einem dreidimensionalen LNG-Tanker im Modellmaßstab zu simulieren, wurden zunächst die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) in Verbindung mit Erhaltungsgleichungen zur Berücksichtigung der Flüssig- und Gasphase, verwendet. Es wurden periodische Tankbewegungen mit einem Freiheitsgrad (DoF) berücksichtigt. Die Ergebnisse wurden zur Validierung mit Daten aus physikalischen Versuchen verglichen. Für diese Validierung standen die Wellenhöhen an sechs Positionen sowie die Drücke an 36 Positionen im Tank zur Verfügung. Anschließend wurden mehrere Simulationen für periodische Tankbewegungen entlang der Längsachse mit Variation der Bewegungsperiode und -amplitude durchgeführt. Für die Durchführung der Berechnung, der in Längsrichtung des Tanks auftretenden Lasten auf die Turmelemente, wurden zwei numerische Modelle erstellt. Das erste Modell enthielt keine Struktur des Pumpenturms und es wurden die RANSE-Gleichungen gelöst. Zeitreihen für die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen wurden entlang der theoretischen Positionen der drei größten Bauteile des
Pumpenturms, dem Sicherheits- und den beiden Entladerohren, aus den Berechnungsergebnissen extrahiert. Zur Bestimmung der Lasten mussten diese
Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in die Morison-Gleichung eingefügt werden. Im zweiten numerischen Modell wurde der Pumpenturm geometrisch implementiert. Simulationen wurden sowohl unter der Nutzung der RANSE-Gleichungen, als auch als Delayed Detached Eddy-Simulationen (DDES) durchgeführt. Die berechneten Lasten wurden zwischen RANSE und DDES verglichen. Mit den DDES wurden genauere Berechnungen der Wirbel, die durch den Turm erzeugt werden, ermöglicht. Dementsprechend wurden die DDES für die weiteren Untersuchungen mit dem eingebauten Turm verwendet. Bei diesen Simulationen wurden die tatsächlichen Belastungen der drei Komponenten des Pumpenturms berechnet. Dies beinhaltete auch die Auswirkungen der Stoßbelastungen sowie die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bauteilen des Pumpenturms und der Strömung. Die Lasten auf die Turmkomponenten wurden anhand von Zeitverläufen, sowie statistisch verarbeiteten Daten verglichen. Die zeitlichen Verläufe der Lasten aus der direkten Berechnung (CFD-Modell mit Pumpenturm) und der Approximation mittels Morison-Gleichung (CFD-Modell ohne Pumpenturm zur Berechnung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen) weisen die gleiche Größenordnung auf. Es treten allerdings Lastspitzen auf, deren Größenordnung, abhängig von der Tankbewegung, unterschiedlich groß ist und bei der Konstruktion des Turms berücksichtigt werden sollte.
Hydrodynamic Loads on LNG Pump Towers – A Comparison of Methodologies
Michael Thome, Universität Duisburg-Essen
