浮式液化天然气平台(FLNG)将陆基天然气液化工厂转移至海上平台运行,形成一种全新的海洋天然气开采模式,可大幅缩减海洋边际气田的开发流程和前期投资,是未来海洋天然气资源开采的发展方向。但是陆基工厂采用的生产、储存设备在向海洋浮式平台转移时,由海洋环境引起的浮式平台晃动、倾斜会对设备运行的安全性和稳定性产生干扰,需要针对海洋环境进行设备的适应性分析和优化。本文基于计算流体力学对晃动环境下的FLNG储存关键设备-储罐,以及倾斜环境下的生产关键设备—换热器进行了数值模拟研究,通过分析储罐、换热器中工作流体受到海洋环境干扰时的运动、传热情况,研究了储罐底部结构、摆动-起伏耦合激励对液体晃荡特性和内腔压力分布的影响,以及蒸发气换热器对流量工况、倾斜环境的传热响应规律。取得如下创新性成果:(1)在液体晃荡行为的理论研究方面:提出参数峰值平均法对储罐内液体运动的剧烈程度进行量化评估,进而指导储罐晃荡固有频率的计算以及不同晃荡工况下的液体运动特性对比研究。参数峰值定义为液面高度、位移量、壁面压力等参数的时域局部极大值,对各波动周期内的参数峰值取算数平均数,可得到整个晃荡过程的唯一标量,即参数峰值平均数,该值代表了液体运动的剧烈程度,相同监测位置时,参数峰值平均数越大,表示当前工况下的液体运动越剧烈,激励频率越接近固有频率。由于其对参数的选择并无特殊要求,可兼容实验和仿真两种研究手段,实现液体运动剧烈程度的精确量化。(2)在FLNG储存设备性能研究方面:建立FLNG储罐内流体运动数值模拟模型,引入摆动-起伏耦合激励模型,对不同频率成分的耦合激励作用结果进行了对比研究,针对不同储罐结构、液体填充率、激励参数作用下的液体晃荡行为进行了对比研究,从而获得不同工况下的储罐动态压力载荷。通过流体体积法和独立网格控制方法建立了薄膜式储罐内的液体晃荡模型,以正弦激励为对象,研究了储罐底部结构引起的固有频率漂移和晃荡特性改变规律。液体填充率较低时:随着斜坡尺寸的增大,晃荡固有频率逐渐减小,高压区域的影响范围以及峰值压力逐渐降低;填充率较高时:固有频率保持稳定,斜坡结构的优化作用小于填充率较低时的工况。此外,在研究摆动-起伏耦合激励时,对不同频率成分的耦合激励作用结果进行了对比研究。两种激励成分以频率比作为相互制约的参数,起伏频率较小时,液体运动由摆动激励主导,反之液体运动由起伏激励主导。起伏激励频率为摆动频率2倍时,液体运动达到晃荡特征的极限状态,此时起伏激励对晃荡运动的增益效果达到最大。(3)在FLNG生产设备性能响应方面:在水平蒸发气换热器的流量工况响应研究基础上,增加倾斜环境的设置,研究了蒸发气换热器在不同倾斜环境下的传热性能响应规律。通过建立蒸发气换热器的数值模拟模型,分析换热器流场、温度场在不同运行工况下的性能参数,对水平环境下的流量工况响应规律进行了详细研究。蒸发气换热器各出口温度随壳程流量的改变呈单向响应变化,响应灵敏度在低流速时较大、高流速较小;高壳程质量流工况时,换热器具有更好的稳定性和更为合理的流场、温度场分布,而当壳程质量流低于一定阀值时,两个流域出现温度交叉现象,低温流体的出口温度高于高温流体,出现不必要的反向传热,流场结构与当前工况的匹配性较差。倾斜环境下的换热器响应研究发现:轴向倾向对换热器性能的影响大于径向倾斜,且壳程质量流较低时的换热器比高质量流时更易受到环境因素变化的影响。(4)在实验验证及工程应用方面:通过相近工况下的FLNG储罐及换热器实验研究,对本文通过数值模拟方法获得的研究结论进行验证,并将其应用于橇装式小型船用蒸发气再液化工厂的工程研制中。针对海洋环境的设备性能仿真研究,可在设计阶段对设备进行适应性分析、载荷校核、工况预测,进而对陆基天然气液化设备和技术进行校验和改造,实现陆地工厂设备向海洋平台的转移,缩短海洋平台的研制周期。