王言英

（大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

深水浮式海洋平臺(tái)為深海油氣勘探開發(fā)的重要裝備.目前，面臨著我國南海海域油氣資源勘探開發(fā)實(shí)際情況，亟待解決深水半潛式鉆井平臺(tái)自行設(shè)計(jì)與建造的大量關(guān)鍵技術(shù)，其中平臺(tái)在深海海洋環(huán)境中的諸多水動(dòng)力性能問題，為其設(shè)計(jì)、建造與營運(yùn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一.

近年來，結(jié)合深水半潛式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目，完成了相關(guān)課題研究，建立了可以用于工程設(shè)計(jì)的算法并改進(jìn)了一些以往的算法.對(duì)于海洋環(huán)境條件的確定，重點(diǎn)討論了更大重現(xiàn)周期設(shè)計(jì)波的參數(shù)[1、2].平臺(tái)在波浪中的運(yùn)動(dòng)及其遭遇的波浪荷載計(jì)算，解決了經(jīng)典的高階邊界元法計(jì)算單元邊界上速度勢導(dǎo)數(shù)不連續(xù)而影響計(jì)算精度的問題，實(shí)現(xiàn)了在時(shí)域求解非線性問題的方法[3～6].平臺(tái)在波浪中遭遇砰擊荷載的計(jì)算，給出了局部壓力系數(shù)的直接計(jì)算方法[7、8].建立了平臺(tái)氣隙的計(jì)算方法，完成了對(duì)Veslefrikk半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)氣隙的計(jì)算校驗(yàn)[8～10].立管動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算重點(diǎn)考慮了非線性對(duì)渦激振動(dòng)的影響和減緩渦激葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題[11～14].對(duì)于系泊定位系統(tǒng)建立了三維錨鏈線的動(dòng)力模型，而動(dòng)力定位系統(tǒng)主要考慮的是推力器的合理布置和吊艙螺旋槳的應(yīng)用[15～23].建立了基于笛卡兒剪切單元網(wǎng)格的改進(jìn)的自由表面捕捉方法，并用于求解出入水問題，實(shí)現(xiàn)了諸如砰擊和構(gòu)件海上起落出入水的工程應(yīng)用計(jì)算[24～26].本文運(yùn)用自行開發(fā)的軟件平臺(tái)，計(jì)算深水浮式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中水動(dòng)力性能參數(shù).

1 海洋環(huán)境參數(shù)確定

海洋環(huán)境參數(shù)通常委托海洋環(huán)境研究相關(guān)單位提供，包括海域地理位置，周邊與海底地貌、水深、風(fēng)、浪、流，以及空氣與海水物理參數(shù)等.根據(jù)用戶要求需要提供兩類環(huán)境資料：一是平臺(tái)工作海域的營運(yùn)環(huán)境資料；另一是平臺(tái)工作期間可能遭遇的最惡劣環(huán)境資料.

有關(guān)船級(jí)社對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)的極端海況已有相應(yīng)的規(guī)定，如挪威船級(jí)社（DNV）規(guī)定為設(shè)計(jì)波高32 m的海況；美國船級(jí)社（ABS）則規(guī)定為設(shè)計(jì)風(fēng)速100kn的海況.實(shí)際上根據(jù)Beaufort風(fēng)級(jí)表給出的最大風(fēng)速與相應(yīng)的最大波高關(guān)系[1]，100kn風(fēng)速對(duì)應(yīng)的最大波高約32m，即為百年一遇的極端海況.

颶風(fēng)卡特里娜襲擊墨西哥灣（2006年7月）后，人們對(duì)于百年一遇設(shè)計(jì)波高的標(biāo)準(zhǔn)感到疑惑，出現(xiàn)是否應(yīng)當(dāng)考慮海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范修訂的問題.實(shí)際上，這是應(yīng)用更長的重現(xiàn)周期對(duì)應(yīng)的海況從事海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的問題.將重現(xiàn)周期外推到500a，可以看出極端海況的有義波高同重現(xiàn)周期100a的相比，從32m增加到34m，約有2m的增幅[2].

2 運(yùn)動(dòng)與波浪荷載計(jì)算

格林函數(shù)法被廣泛地用于船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中遭遇的荷載與運(yùn)動(dòng)計(jì)算.考慮三維浮體在規(guī)則線性波作用下6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，通過求解滿足物面、自由表面、底部和輻射條件的Laplace方程，以確定浮體的運(yùn)動(dòng)和波浪誘導(dǎo)荷載.相應(yīng)于各自由度的速度勢函數(shù)，可以用滿足自由表面與底部邊界條件的Haskind源與格林函數(shù)的積在淹濕物面的積分得到[3].格林函數(shù)必須滿足含奇點(diǎn)的Laplace條件和相應(yīng)的自由表面、底部與輻射條件[4].當(dāng)格林函數(shù)確定后，可以利用滿足物面條件的第二類Fredholm方程，求出物面上的源強(qiáng)分布，進(jìn)一步確定各自由度的速度勢與總勢，以及浮體的運(yùn)動(dòng)附加質(zhì)量與阻尼系數(shù)[5]，最后應(yīng)用線性化的Bernoulli方程求得波浪擾動(dòng)力.

以經(jīng)典的高階邊界元方法計(jì)算單元邊界上速度勢，因其導(dǎo)數(shù)并不連續(xù)而影響計(jì)算精度.應(yīng)用基于B－樣條的邊界元方法，能夠保證速度勢和速度勢導(dǎo)數(shù)在邊界上的連續(xù)性.NURBS（非均勻有理B樣條）能夠精確表達(dá)二次曲面，基于NURBS的邊界元方法又能同CAD方便集成[6].NURBS曲面的形式不僅可以表達(dá)物體的幾何形狀，也可以用來表達(dá)物體表面上的速度勢.把速度勢函數(shù)表達(dá)成二維參數(shù)空間上的NURBS曲面形式[6]：

式中：φi，j為速度勢的控制點(diǎn)；wi，j是控制點(diǎn) 的權(quán)值；i＝ 0，1，…，m；j＝ 0，1，…，n；Ni，k（u） 和Nj，l（v）分別為k和l次B樣條基函數(shù).在邊界元方法計(jì)算中，使用NURBS形式對(duì)表面的速度勢進(jìn)行離散，對(duì)表面速度勢函數(shù)φ的求解就轉(zhuǎn)換成了對(duì)速度勢控制點(diǎn)φi，j的求解.

通?；贜URBS的邊界元方法中速度勢使用式（1）表達(dá)，需要預(yù)先設(shè)定速度勢控制點(diǎn)的權(quán)值wi，j.第一種方法是權(quán)值wi，j全部為1，即不使用有理形式表達(dá)速度勢φ.面元上的幾何形狀仍然保持使用NURBS的表達(dá)形式，而速度勢的表達(dá)基于普通的非均勻B樣條形式.另一種解決方法是使用加權(quán)余量法，通過使積分方程的殘差最小來建立方程組.對(duì)離散的積分方程使用Galerkin方法，使殘差直接在參數(shù)空間對(duì)應(yīng)的NURBS樣條函數(shù)上達(dá)到最小，可以得到可計(jì)算的線性方程組.

圖1是船舶迎浪運(yùn)動(dòng)時(shí)的波浪彎矩和剪力響應(yīng)函數(shù)，同試驗(yàn)值和STF法計(jì)算結(jié)果相比較表明，基于B－樣條的邊界元方法的計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確[6]，可以滿足工程應(yīng)用的要求.

圖1 S－175迎浪中剖面垂向波浪彎矩和剪力響應(yīng)函數(shù)Fig.1 RAO of vertical bending moment and shear force on the mid－ship profile for S－175in head wave

3 沖擊與砰擊荷載預(yù)報(bào)

底部砰擊是指船舶航行或海洋結(jié)構(gòu)物遭受惡劣海況時(shí)，由于劇烈的縱搖與升沉運(yùn)動(dòng)，使其底部露出波面，在底部重新進(jìn)入波浪的瞬時(shí)，同波浪產(chǎn)生猛烈的瞬時(shí)的非線性沖擊現(xiàn)象.目前從事砰擊荷載預(yù)報(bào)的主要有規(guī)范法、試驗(yàn)法和理論計(jì)算法.

考慮環(huán)境因素的作用，將船體運(yùn)動(dòng)和砰擊理論計(jì)算相結(jié)合，利用工程軟件為沖擊荷載提供了直接計(jì)算方法[7].對(duì)砰擊荷載進(jìn)行預(yù)報(bào)，首先要判斷底部砰擊發(fā)生的條件.通常底部產(chǎn)生砰擊要同時(shí)滿足船體底部出水和產(chǎn)生可計(jì)量的壓力兩個(gè)條件.因此，底部砰擊發(fā)生的充分條件是當(dāng)船體底部出水回落撞擊水面時(shí)，船體橫截面與波浪之間的垂向相對(duì)速度超過某一臨界速度，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：

式中：H為波高；分別為橫剖面與波浪的垂向相對(duì)位移和速度為臨界速度，其中L為船體長度，g為重力加速度.采用三維頻域GREEN函數(shù)法程序計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)[5、6]，利用頻時(shí)轉(zhuǎn)換在時(shí)域中預(yù)測各種海況下砰擊發(fā)生的頻率和橫剖面與波面的垂向相對(duì)位移與速度[8].其后由計(jì)算出砰擊壓力p[7]，式中ρ為海水密度，k即所謂的局部壓力系數(shù)，至今大都依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫提供.

實(shí)際上，可以應(yīng)用二維的CFD出入水軟件平臺(tái)求解剖面局部壓力系數(shù).應(yīng)用FLUENT軟件，根據(jù)船體底部所關(guān)注點(diǎn)相對(duì)于波面的最大速度，計(jì)算得到不同時(shí)刻和位置上的壓力系數(shù)，從而可以給出船體各橫剖面上在無因次時(shí)間域中的最大壓力系數(shù)，即所謂局部壓力系數(shù)k＝max（CP）（見圖2）.進(jìn)一步分析整理可以得出局部壓力系數(shù)關(guān)于船體橫剖面形狀的函數(shù)，經(jīng)過必要的試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)資料的驗(yàn)證作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù).

圖2 18站＝－0.01時(shí)刻的自由液面和壓力分布Fig.2 The shape of the free surface and pressure distribution at＝－0.01for the 18th Station

由一浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）的算例，發(fā)現(xiàn)平底半寬是影響船形剖面入水砰擊壓力系數(shù)的重要參數(shù).無因次化平底半寬變量表示為＝b/B，其中b為平底半寬，B為設(shè)計(jì)吃水1/10處水線半寬.計(jì)算得到的不同剖面的和相應(yīng)的砰擊系數(shù)k的關(guān)系如圖3所示.

圖3 k同橫剖面參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 The relative curve between k and geometric parameter of cross section

4 氣隙校驗(yàn)

氣隙是指波峰表面與平臺(tái)下甲板間的距離，極限波浪條件下保持正的氣隙是設(shè)計(jì)的基本要求.現(xiàn)用a0表示靜水氣隙值，η（t）表示波表面瞬時(shí)升高，δ（t）表示平臺(tái)的垂向位移.如果η與δ相等，則氣隙響應(yīng)仍然等于靜水氣隙a0.大多數(shù)情況下氣隙響應(yīng)可以用a（t）＝a0－r（t）表示，其中表示平臺(tái)與波浪相對(duì)位移的r（t）＝η（t）－δ（t）.當(dāng)氣隙值a（t）＜0，即相對(duì)位移r（t）大于靜水氣隙a0時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生甲板砰擊及上浪.

規(guī)則波中垂向相對(duì)位移的幅值響應(yīng)函數(shù)可以通過下式求解：

式中：｜Hrxb（ω）｜為平臺(tái)xb剖面下表面與波浪表面垂向相對(duì)位移的幅值響應(yīng)函數(shù)；｜Hvxb（ω）｜為平臺(tái)xb剖面垂向位移速度的幅值響應(yīng)函數(shù)；εxb（ω）為平臺(tái)xb剖面垂向位移的相位響應(yīng)函數(shù).｜Hvxb（ω）｜與εxb（ω）分別可以通過以下兩式進(jìn)行計(jì)算：

其中Hz（ω）、Hθ（ω）、εz（ω）和εθ（ω）分別為平臺(tái)在規(guī)則波中的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)幅值和相位的頻率響應(yīng)函數(shù).采用平穩(wěn)線性系統(tǒng)，對(duì)于給定的波浪譜可以計(jì)算得到氣隙響應(yīng)的譜函數(shù).

文獻(xiàn)[10]對(duì)Veslefrikk半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)氣隙進(jìn)行了計(jì)算校驗(yàn)[9].該平臺(tái)的作業(yè)海況的有義波高Hs＝14m，采用JONSWAP譜波譜函數(shù)，譜峰周期Tp＝13s，γ＝3.0.

圖4為平臺(tái)中心點(diǎn)垂向運(yùn)動(dòng)的譜函數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到表1的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù).

圖4 垂向運(yùn)動(dòng)譜函數(shù)Fig.4 Vertical motion spectral function

表1 平臺(tái)中心點(diǎn)相對(duì)波面垂向運(yùn)動(dòng)的譜函數(shù)統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Statistical characteristics of vertical motion spectrum for the central point of platform relative to wave surface

該平臺(tái)的靜水氣隙值（hd）為17.50m；譜分析給出3h海況下平臺(tái)與波浪相對(duì)位移的極值（h1/N）為17.65m；根據(jù)試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算在N＝909時(shí)，經(jīng)過計(jì)算可知3h海況下平臺(tái)與波浪相對(duì)位移的極值為17.49m，三者的偏差在2%以內(nèi).因此可以認(rèn)為Veslefrikk平臺(tái)設(shè)計(jì)給出的靜水氣隙具有一定的合理性及可靠性.

5 立管動(dòng)力響應(yīng)分析

隔水管是海洋浮式生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要附屬設(shè)備，其內(nèi)部有高壓的油或氣流通過，外部則承受風(fēng)、波浪、海流的作用，另外加上所連浮體的漂移的影響，隔水管處于極其復(fù)雜的海洋環(huán)境中.同時(shí)，由于漩渦的釋放會(huì)引起隔水管的縱向、橫向振動(dòng)，甚至?xí)逛鰷u脫落頻率鎖定在結(jié)構(gòu)的振蕩頻率上，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的振蕩幅度，從而造成工程結(jié)構(gòu)的失效或損壞.因此如何準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出實(shí)際海況中隔水管的動(dòng)力響應(yīng)和渦激振動(dòng)問題，對(duì)于逐漸向深海發(fā)展的海洋開采事業(yè)具有重大的意義.

為了探討在波浪海流共同作用下隔水管的動(dòng)力響應(yīng)及渦激振動(dòng)，根據(jù)三維空間中隔水管運(yùn)動(dòng)的微分控制方程，以Matteoluca改進(jìn)的Vanderpol尾流振子模型為基礎(chǔ)，計(jì)算渦激振動(dòng)時(shí)隔水管與流體之間的相互作用.通過Hermite插值函數(shù)對(duì)隔水管的運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行有限元離散，基于非線性分析理論，利用更新的拉氏描述（ULA）建立了考慮幾何非線性、預(yù)應(yīng)力、渦激流固耦合等復(fù)雜因素影響的綜合非線性增量平衡方程，并采用Newton－Raphson迭代法和Newmark方法相結(jié)合的方法建立了空間隔水管非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)的增量迭代算法.最后給出了考慮幾何非線性與外界荷載作用簡化的位移分布包絡(luò)線，以及橫向渦激振動(dòng)響應(yīng)曲線.計(jì)算結(jié)果表明，所采用的方法正確、有效，可以為隔水管的生產(chǎn)設(shè)計(jì)及理論分析提供依據(jù)[12].圖5、6分別給出考慮和不考慮幾何非線性和流體力非線性對(duì)各個(gè)方向立管位移包絡(luò)線形狀的影響，其中Lb為距海底的距離.

通常隔水管動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算是將波浪傳播方向和海流速度方向視為同向進(jìn)行分析，或者僅考慮穩(wěn)定海流產(chǎn)生的渦激振動(dòng).進(jìn)一步基于三維空間進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)和渦激振動(dòng)分析，且波浪傳播方向和海流速度、方向是任意的.隔水管可視為小尺度構(gòu)件，波浪和海流對(duì)它的作用力用Morison方程計(jì)算.通常的做法是將Morison方程中的水動(dòng)力系數(shù)假設(shè)為常數(shù)，并將該方程的非線性項(xiàng)進(jìn)行近似線性化.改進(jìn)的算法是將Morison方程中的系數(shù)依據(jù)外界環(huán)境條件確定，并且保留了方程的非線性項(xiàng)，在計(jì)算中采用迭代求解，使之計(jì)算的結(jié)果更符合實(shí)際情況[13].

圖5 不考慮和考慮幾何非線性隔水管橫向位移Fig.5 Displacements in xand ydirection considering and without considering geometrical nonlinearity

通過von Mises應(yīng)力計(jì)算得到隔水管關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)力時(shí)間歷程，再根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法、S－N曲線和Miner線性累積損傷模型估算隔水管的疲勞壽命，并采用 Wirching方法進(jìn)行了可靠性分析.最后給出了運(yùn)用以上方法得到的隔水管的疲勞可靠性分析結(jié)果.

當(dāng)前在立管表面加裝螺旋渦片成為有效的消渦裝置，應(yīng)用CFD軟件FLUENT計(jì)算立管繞流流場及其沿流向阻力和沿橫向升力變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加裝螺旋渦片幾何形狀與尺度以及數(shù)量的優(yōu)化是有效可行的方法[13].計(jì)算表明加裝螺旋渦片抑制立管的渦激振動(dòng)是有效的，采用螺距比為5，片寬為0.15D，數(shù)量為3的螺旋渦片裝置，可能取得較好的抑制渦激振動(dòng)的效果.圖7（a）、（b）分別給出在Re＝800條件下，繞一固定光體立管和帶有3組螺旋渦片固定光體立管的瞬時(shí)渦線和總壓分布.不論從釋放渦的形態(tài)，還是從后方的壓力分布，都可以清晰地看出釋放渦被抑制的效果.在實(shí)際流態(tài)雷諾數(shù)下的數(shù)值模擬，或者關(guān)于計(jì)算雷諾數(shù)下計(jì)算結(jié)果的尺度效應(yīng)，尚待進(jìn)一步的研究來揭示.

圖6 流體力簡化前后隔水管橫向位移Fig.6 Displacements in x and y direction under different hydrodynamics

圖7 在Re＝800條件下繞一固定光體立管和帶有3組螺旋渦片固定光體立管的瞬時(shí)渦線和總壓分布Fig.7 Instantaneous vorticity contours and total pressure contours for the flow past a fixed bare riser and a fixed riser with three helical strakes at Re＝800

6 系泊與動(dòng)力定位評(píng)價(jià)

深水海洋平臺(tái)通常備有錨鏈系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)，分別用于不同作業(yè)水深與海洋環(huán)境條件.

對(duì)于錨鏈系泊系統(tǒng)需要通過計(jì)算確定在各種平臺(tái)作業(yè)狀態(tài)下和不同海洋環(huán)境條件下，滿足定位條件的錨鏈張力，或者在允許的錨鏈張力條件下平臺(tái)的定位指標(biāo).在頻域內(nèi)采用對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)方程與錨泊線運(yùn)動(dòng)方程耦合求解的方法，計(jì)算得到半潛式海洋平臺(tái)在限制工作水深的運(yùn)動(dòng)位移與錨泊線上的張力[14～16].在時(shí)域中則將在頻域內(nèi)對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)方程求解的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為時(shí)域結(jié)果，同錨鏈線運(yùn)動(dòng)的時(shí)域方程耦合求解錨泊浮體在限制工作水深的運(yùn)動(dòng)位移與錨鏈線上的張力[17～19].

為了提高常規(guī)錨鏈線方程的計(jì)算精度，采用一種考慮錨鏈線上各種受力的三維錨鏈線模型來計(jì)算錨鏈的位移與受力.根據(jù)牛頓第二定律，得出三維錨鏈線的動(dòng)力模型，見式（6）.其中ε為錨鏈線單位長度應(yīng)變；Fh為錨鏈線在該點(diǎn)的次法線（b）方向上錨鏈?zhǔn)艿降牧黧w力；Fn為錨鏈線在該點(diǎn)的法線方向上錨鏈?zhǔn)艿降牧黧w力；G為錨鏈線在該點(diǎn)的切線（t）方向上錨鏈?zhǔn)艿降牧黧w力；α為錨鏈線沿長度方向上的傾角；θ為錨鏈線與船體軸線的夾角；T為錨鏈線上的張力；U、V、W為局部坐標(biāo)系下的錨鏈線速度分量；Wc為在水中單位長度錨鏈線的重量；m為單位長度錨鏈線的質(zhì)量.方程（6）有6個(gè)未知量U、V、W、α、θ、T和2個(gè)參變量t、s，而方程的個(gè)數(shù)也為6個(gè)，所以方程組是封閉的.

圖8所示為一FPSO系泊系統(tǒng)中第7號(hào)錨鏈張力時(shí)間歷程的計(jì)算值同試驗(yàn)值的比較[18]，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果具有工程應(yīng)用的精度.

圖8 FPSO第7號(hào)錨鏈張力時(shí)間歷程計(jì)算與試驗(yàn)值比較Fig.8 Comparison of computational and experimental results for tension forces on mooring line No.7 of a FPSO

深水系泊導(dǎo)致新的系泊線和錨的出現(xiàn)，諸如合成錨纜的應(yīng)用，不僅是系泊線材料的改變，更重要的是其構(gòu)成全然不同[19]；吸力沉箱的應(yīng)用，不僅是錨的形式的改變，更重要的是導(dǎo)致了系泊系統(tǒng)及其計(jì)算方法的改變[19].繃緊索系泊系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)在深海中應(yīng)用的困難，由于纖維系纜回復(fù)剛度大，平臺(tái)水平偏離量大大減小；同等水深下使用繃緊索系泊系統(tǒng)，需要較短的纖維材料系纜，能節(jié)約成本，尤其在深水和超深水條件下的經(jīng)濟(jì)性非常明顯；具有更小的系泊半徑，系泊基礎(chǔ)占用的海床面積小，減小了同附近其他水下設(shè)施相碰撞的危險(xiǎn)[20].

目前大多數(shù)深海鉆井和采油平臺(tái)都采用動(dòng)力定位系統(tǒng)作為深水作業(yè)狀態(tài)的定位裝置，根據(jù)平臺(tái)設(shè)置海域的環(huán)境條件和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，選用螺旋槳推進(jìn)器系統(tǒng)，提供各個(gè)方向上的水平力和艏搖彎矩，形成一個(gè)時(shí)變的推力系統(tǒng)來抵消外在的時(shí)變的環(huán)境荷載.多數(shù)半潛式鉆井平臺(tái)采用8個(gè)推進(jìn)器，該推進(jìn)器系統(tǒng)形成了一個(gè)冗余系統(tǒng)，存在無數(shù)多個(gè)不同的推力和方向的組合，均滿足特定的水平力和艏搖彎矩.實(shí)際應(yīng)用中推力的分配方法是重要的，文獻(xiàn)[21]以最小化推進(jìn)系統(tǒng)的能耗為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)還考慮推進(jìn)器的推力極限、最大推力變化速率、最大旋轉(zhuǎn)速率、推進(jìn)器推力的禁區(qū)、奇異結(jié)構(gòu)等因素，應(yīng)用序列二次規(guī)劃法建立了一種合理高效地解決動(dòng)力定位系統(tǒng)推力分配問題的方法.

作為動(dòng)力定位系統(tǒng)的推力器，吊艙式螺旋槳為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的形式之一.對(duì)于選配的推力器從事水動(dòng)力性能計(jì)算，以檢驗(yàn)其系統(tǒng)的定位效能是必須的.計(jì)算方法有基于模型系列試驗(yàn)的圖譜法，利用常規(guī)螺旋槳敞水性能圖譜修正得到相應(yīng)的吊艙式螺旋槳性能[22、23]；也有基于面元法的吊艙式螺旋槳敞水性能的直接計(jì)算的軟件平臺(tái).

7 出入水問題的解及其工程應(yīng)用

海洋平臺(tái)在現(xiàn)場組裝或在作業(yè)過程中，經(jīng)常會(huì)有大型構(gòu)件入水和出水作業(yè).物體在以某種速度出入水過程中，當(dāng)其同水表面接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的水動(dòng)力壓力，從而會(huì)導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)軌跡的改變，甚至于會(huì)導(dǎo)致物體遭到破壞的荷載.

應(yīng)用自由表面捕捉法處理水表面問題.該方法以有限體積法求解帶自由表面的非均勻的不可壓縮流體的Euler方程，其自由表面同繞流物體是非連續(xù)性接觸的.計(jì)算域的外邊界上的密度、速度與壓力為常數(shù)，允許流體以當(dāng)?shù)氐乃俣却笮『头较蜃杂蛇M(jìn)出；物體邊界上速度遵守不可穿透條件，密度保持零法向梯度，運(yùn)動(dòng)為單自由度的（對(duì)于二維問題，向上或向下運(yùn)動(dòng)），只存在垂向壓力梯度.笛卡兒剪切單元格用作離散網(wǎng)格系統(tǒng)，其中包括固體單元、流體單元與剪切單元三種不同類型的單元網(wǎng)格.須考慮物體同流體的相互作用，物體與流體全耦合的方法用以計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)速度與位移[24～26].

文獻(xiàn)[24]給出如下算例.一長10m、直徑0.2 m的水密的圓柱，水平地置于距初始靜止水面上方0.4m處.圓柱的質(zhì)量為1 570.8kg，起重吊纜的剛度為2 000kN/m.不計(jì)吊纜的阻尼和質(zhì)量，其等速移動(dòng)速度為1.0m/s，起重機(jī)及其母船位置固定，荷載向下為正.圖9為圓柱入水時(shí)的垂向速度和荷載的水動(dòng)力壓力隨時(shí)間的變化，可以看出荷載的速度呈周期性震蕩，從而會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的水動(dòng)力震蕩.震蕩頻率為34.656Hz，接近于吊纜的自振頻率圖10所示為荷載吊纜張力變化的時(shí)間歷程.可以發(fā)現(xiàn)荷載入水前的吊纜張力為15 393.84N，即近似于圓柱的重力；入水過程中其張力高頻震蕩；而當(dāng)負(fù)載完全沒水后張力在12 320.62N上下變化，接近圓柱的浮力.

圖9 有無吊纜兩種入水模型的荷載速度和水動(dòng)力壓力的比較Fig.9 Comparison of velocity and hydrodynamic pressure of payload corresponding to two water entry models with or without wire

圖10 荷載吊纜張力變化的時(shí)間歷程Fig.10 Time history of wire tension on the payload

8 結(jié) 語

根據(jù)深水浮式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中提出的部分水動(dòng)力計(jì)算問題，應(yīng)用自行開發(fā)的浮體在波浪中的運(yùn)動(dòng)與荷載計(jì)算軟件平臺(tái)和相關(guān)的計(jì)算流體力學(xué)軟件平臺(tái)，已實(shí)現(xiàn)了水動(dòng)力性能的數(shù)值計(jì)算，部分地得到了模型試驗(yàn)或相關(guān)算法的驗(yàn)證.部分計(jì)算模型與數(shù)值算法還期待在工程設(shè)計(jì)過程中進(jìn)一步完善，更多的水動(dòng)力性能計(jì)算問題尚有待于開發(fā)研究.

致謝：參與該項(xiàng)目研究的有博士研究生錢昆、肖越、馬延德、張利軍、林?；?、王文華；碩士研究生汪鴻、張慶文、于得會(huì)、王建凱、吳憲法、由際昆、陶晶晶等.

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