張 磊，楊建民，呂海寧，肖龍飛

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

西非深水浮筒和穿梭油輪水動(dòng)力性能分析

張 磊，楊建民，呂海寧，肖龍飛

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

應(yīng)用三維勢(shì)流理論及非線性時(shí)域耦合分析方法，在西非雙方向涌浪和波浪條件下對(duì)深水浮筒及穿梭油輪水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與水池模型試驗(yàn)對(duì)比。對(duì)單浮筒在作業(yè)、生存海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，同時(shí)對(duì)浮筒和穿梭油輪連接原油外輸作業(yè)時(shí)的波頻運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)給出了合理分析;得到原油外輸裝置在西非深水海域環(huán)境下的水動(dòng)力響應(yīng)特性，為我國參與西非深水海洋油氣開采提供技術(shù)建議。

深水浮筒;穿梭油輪;西非海域;數(shù)值計(jì)算;模型試驗(yàn)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，西非深水地區(qū)已成為全球石油工業(yè)投資和油氣新發(fā)現(xiàn)最集中的地區(qū)之一。西非海域海洋環(huán)境條件相對(duì)比較溫和，但是不同入射方向的長周期涌浪和短周期風(fēng)浪的疊加是其海洋環(huán)境的重要特點(diǎn)之一，這可能會(huì)對(duì)浮式海洋結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大擾動(dòng)。

目前西非深水海域油氣工程主要的開發(fā)模式［1］之一是:多點(diǎn)系泊FPSO作為儲(chǔ)卸油主要生產(chǎn)系統(tǒng)，原油外輸采用穿梭油輪(Shuttle tanker)作為終端，并使用浮筒(Buoy)作為中間連接、傳輸媒介。FPSO與浮筒聯(lián)合作業(yè)時(shí)［2，3］兩者間隔在1 000～2 000 m左右，多體水動(dòng)力相互干擾可以忽略不計(jì);浮筒與穿梭油輪連接輸油作業(yè)(Offloading)時(shí)，兩者間距在100 m左右，除了使用柔性輸油管線(Hose)連接輸油，還需要柔性連接纜(Hawser)來控制油輪的水平運(yùn)動(dòng)，輸油作業(yè)時(shí)，主要是連接纜受力。

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都非常關(guān)注浮筒及穿梭油輪在特定海洋環(huán)境下的水動(dòng)力性能。Bunnik［2，4］等人對(duì)深水浮筒及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析、耦合時(shí)域動(dòng)態(tài)分析以及大尺度水池模型試驗(yàn)，考察了浮筒的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及系泊載荷，并對(duì)耦合效應(yīng)及粘性效應(yīng)得出一些結(jié)論。Santala和Huang［5，6］等人分別從理論分析和數(shù)值計(jì)算角度，針對(duì)西非海洋環(huán)境設(shè)計(jì)的一座深水浮筒進(jìn)行分析，首先設(shè)計(jì)了數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)研究的流程、關(guān)注點(diǎn)等，而后使用經(jīng)典的頻域轉(zhuǎn)時(shí)域方法對(duì)浮筒系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，最終與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。Thomas［7］研究了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)，并重點(diǎn)分析了一浮筒及穿梭油輪整體系統(tǒng)，求解耦合系統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng)方程、計(jì)算連接纜的張力，并與模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。

鑒于國內(nèi)對(duì)西非深水海域浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，主要對(duì)浮筒與穿梭油輪在西非海洋環(huán)境下的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析。在海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)深海浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值和試驗(yàn)研究一般以單方向長峰波浪為主;而本文將根據(jù)西非海域環(huán)境特點(diǎn)研究浮體在雙方向入射波浪下的響應(yīng)。

總之，將針對(duì)西非海域設(shè)計(jì)的浮筒、穿梭油輪進(jìn)行時(shí)域耦合計(jì)算和模型試驗(yàn)研究，比較系統(tǒng)靜力特性、運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜、統(tǒng)計(jì)值等，為我國參與西非深水油氣開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 頻域分析

以三維勢(shì)流理論［9］分別對(duì)浮體的幅值響應(yīng)函數(shù)、一階波浪力傳遞函數(shù)、波浪漂移力傳遞函數(shù)、附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)等水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。流場存在總速度勢(shì)Φ，可以分解為入射勢(shì)、繞射勢(shì)以及輻射勢(shì);并滿足Laplace方程、自由面條件、海底條件、物面條件以及輻射條件。

采用格林函數(shù)法［8，9］，把上述控制微分方程變換成邊界上的積分方程來進(jìn)行求解。求得速度勢(shì)后，可求出流場內(nèi)的壓力分布，即可得到結(jié)構(gòu)物受到的總體流體作用力，包括波浪激勵(lì)力、流體反作用力及靜回復(fù)力。其中，波浪激勵(lì)力由入射勢(shì)和繞射勢(shì)引起的壓力積分而得到，包含未受擾動(dòng)的波浪產(chǎn)生的Froude-Kriloff力和由結(jié)構(gòu)物存在引起的波浪繞射力。流體反作用力則由輻射勢(shì)所引起的壓力積分得到:結(jié)構(gòu)物以波浪激勵(lì)頻率進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)受到的力和力矩，這時(shí)的水動(dòng)力學(xué)載荷定義為附加質(zhì)量、阻尼和回復(fù)力。

1.2 時(shí)域耦合分析

得到上述水動(dòng)力參數(shù)后，應(yīng)用傅里葉變換、Cummins脈沖理論［9，10］進(jìn)行時(shí)域分析。浮體運(yùn)動(dòng)方程［11］:

其中，D1和D2分別為線性和二次阻尼矩陣;f為速度矢量函數(shù);K為靜水剛度矩陣;x為位移矢量;q為激勵(lì)力矢量。h(τ)為表征記憶效應(yīng)的時(shí)延函數(shù)，由附加質(zhì)量a(ω)和勢(shì)流阻尼系數(shù)c(ω)的卷積而得。

浮體與系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程［12］為

1.3 建模及求解分析

浮筒和穿梭油輪的主體尺寸如表1所示。單浮筒的面元模型、系泊模型、系泊布置形式以及風(fēng)浪流入射角度如圖1、圖2所示。建立浮筒及穿梭油輪的水動(dòng)力模型，同時(shí)建立用于模擬柔性錨鏈的有限元單元，其系泊系統(tǒng)包含9根散布式錨鏈和1根用于連接浮筒和油輪的連接纜;浮筒及穿梭油輪聯(lián)合輸油作業(yè)布置如圖3所示。

表1 浮筒和穿梭油輪的主尺度Tab.1 Main particulars of buoy and shuttle tanker

圖1 浮筒水動(dòng)力面元模型Fig.1 Hydrodynamic panel model of buoy

圖2 單浮筒多點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置Fig.2 Spread mooring way

目標(biāo)區(qū)域?yàn)槲鞣巧钏Ｓ?，全水深? 700 m。在模型試驗(yàn)中綜合考慮縮尺效應(yīng)、水池試驗(yàn)條件，模型與實(shí)型之間縮尺比取1∶50;根據(jù)截?cái)嗨罨旌夏Ｐ驮囼?yàn)研究技術(shù)［13］，將全水深截?cái)嗟?00 m，并相應(yīng)的將系泊系統(tǒng)截?cái)嗟?00 m，保證其靜力特性完全一致。表2為浮筒及穿梭油輪所處西非海域的海洋環(huán)境條件。

表2 海洋環(huán)境條件Tab.2 Environmental conditions

圖3 浮筒與穿梭油輪聯(lián)合輸油作業(yè)布置Fig.3 Offloading operation configuration of buoy，hawser line and shuttle tanker

2 模型試驗(yàn)

為了校核理論預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，在海洋深水試驗(yàn)池里進(jìn)行了模型試驗(yàn)。深水池長50 m，寬40 m，整體水深為10 m;其大面積可升降假底可允許水深在0～10 m間調(diào)節(jié)。

單浮筒模型示意圖如圖4所示，浮筒及穿梭油輪輸油作業(yè)模型試驗(yàn)如圖5所示。風(fēng)生浪和涌浪均采用JONSWAP譜模擬，并在不同方向上疊加。模型試驗(yàn)中主要采集浮體的運(yùn)動(dòng)和系泊纜載荷。其中，浮體六自由度運(yùn)動(dòng)采用非接觸式光學(xué)運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)測(cè)量［14］，而系泊纜載荷使用應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測(cè)量。

圖4 單浮筒水池模型試驗(yàn)Fig.4 Model test of buoy

圖5 浮筒及穿梭油輪輸油作業(yè)模型試驗(yàn)Fig.5 Model test of buoy and shuttle tanker

3 單浮筒水動(dòng)力性能

3.1 靜位移剛度曲線、靜水自由衰減結(jié)果

在海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究中，浮體以及系泊系統(tǒng)的靜力特性是進(jìn)行時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ);一般包含靜位移剛度曲線、靜水衰減曲線等，如圖6、圖7所示，數(shù)值模型與物理模型吻合得較好。

圖6中系泊系統(tǒng)的剛度曲線在±60 m范圍內(nèi)，且?guī)缀醭示€性，符合一般深水錨泊系統(tǒng)的靜力特性。

浮筒/系泊系統(tǒng)的自由衰減結(jié)果包括其在靜水中的衰減周期以及阻尼百分比，如表3所示。由于浮筒的質(zhì)量、慣性矩和回復(fù)剛度較小的特點(diǎn)，垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)的固有周期都在8～9 s左右;而縱蕩固有周期在60 s以上，避開了主要的一階波浪能量的影響，但二階低頻慢漂力的影響不可忽視。此外，由于浮筒存在較大半徑裙邊，使得垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)較大。

圖6 浮筒/系泊系統(tǒng)靜位移曲線Fig.6 Static offset curve for buoy and mooring system

圖7 浮筒/系泊系統(tǒng)自由衰減曲線(縱蕩、垂蕩和縱搖)Fig.7 Free decay curves of buoy/mooring system(Surge，Heave and Pitch)

表3 浮筒/系泊系統(tǒng)自由衰減結(jié)果Tab.3 Free decay results of buoy/mooring system

3.2 幅值響應(yīng)算子

對(duì)于浮筒/系泊系統(tǒng)的幅值響應(yīng)算子RAO，圖8給出了對(duì)比結(jié)果，可見兩者吻合得較好。由于波浪入射角度為180°，故這里取縱蕩、垂蕩和縱搖三個(gè)主運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

圖8 帶系泊系統(tǒng)的浮筒運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子(縱蕩、垂蕩和縱搖)Fig.8 RAOs of buoy with mooring(Surge，Heave and Pitch)

3.3 響應(yīng)能量譜及統(tǒng)計(jì)值

對(duì)浮筒/系泊系統(tǒng)在西非一年一遇和百年一遇海況下進(jìn)行時(shí)域耦合分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，得到運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)譜，如圖9所示，包括縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)。

圖9 浮筒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)能量譜Fig.9 Response spectra of buoy

從響應(yīng)譜中可以看出，雖然垂蕩固有周期在8～9 s(對(duì)應(yīng)頻率約為0.75 rad/s)左右，其并沒有在風(fēng)浪頻率范圍內(nèi)響應(yīng)強(qiáng)烈，而在涌浪作用下的響應(yīng)較大，表現(xiàn)為“隨涌而動(dòng)”。相反，縱搖卻在風(fēng)浪范圍內(nèi)反應(yīng)強(qiáng)烈，在涌浪范圍內(nèi)幾乎沒有響應(yīng)。此外，縱蕩則以低頻響應(yīng)為主，其響應(yīng)譜能量幾乎全部集中在頻率小于0.2 rad/s的范圍內(nèi)，受二階低頻波浪漂移力的作用較大。

可見，西非海域的風(fēng)浪、涌浪對(duì)浮筒的作用存在明顯的區(qū)別，即不同運(yùn)動(dòng)對(duì)不同的波浪成分有著顯著的響應(yīng)差別。此外，單浮筒在西非海域一年一遇和百年一遇海況下的時(shí)域響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值如表4所示。西非海況下，浮筒垂蕩運(yùn)動(dòng)的總標(biāo)準(zhǔn)差小于1.0 m;縱搖運(yùn)動(dòng)總標(biāo)準(zhǔn)差小于1.2°;縱蕩最大漂移值不超過40 m，垂蕩最大幅值不超過4.0 m，縱搖最大幅值不超過8.0°。

表4 單浮筒的時(shí)域響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of buoy

4 浮筒與穿梭油輪連接原油外輸作業(yè)水動(dòng)力性能

4.1 雙浮體頻域分析

基于三維勢(shì)流理論，考慮雙浮體之間的水動(dòng)力干擾，進(jìn)行頻域內(nèi)的水動(dòng)力系數(shù)、運(yùn)動(dòng)方程求解。圖10給出了浮筒及穿梭油輪的雙浮體水動(dòng)力模型，兩者間距100 m。

圖10 浮筒與穿梭油輪雙浮體水動(dòng)力模型Fig.10 Multi-body hydrodynamic model of buoy and shuttle tanker

圖11給出了雙浮體水動(dòng)力計(jì)算下的浮筒RAO響應(yīng)，考察穿梭油輪對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。當(dāng)波浪頻率小于0.48 rad/s時(shí)，雙浮體之間的干擾很小。根據(jù)深水中的色散關(guān)系，波浪頻率0.48 rad/s對(duì)應(yīng)的規(guī)則波波長約為267 m，而穿梭油輪水線長為263 m左右;當(dāng)波浪頻率小于0.48 rad/s時(shí)，波長則會(huì)大于267 m，這時(shí)浮體與波浪的輻射作用較小，會(huì)有“隨波運(yùn)動(dòng)”的趨勢(shì);同時(shí)浮筒尺度小，則穿梭油輪對(duì)浮筒的水動(dòng)力干擾就很小。而對(duì)于高頻波浪(約大于0.5 rad/s)，短波長波浪與浮體作用充分，故產(chǎn)生擾動(dòng)較大。

圖11 浮筒運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAOFig.11 RAOs of buoy

此外，當(dāng)浮筒迎浪(180°)時(shí)，由穿梭油輪產(chǎn)生的反射波對(duì)浮筒影響很小;當(dāng)浮筒隨浪時(shí)，油輪對(duì)其影響較大，且響應(yīng)值偏小。在風(fēng)浪流環(huán)境下，穿梭油輪會(huì)有一定的風(fēng)標(biāo)效應(yīng);即主要的風(fēng)浪流會(huì)從浮筒迎浪方向作用于系統(tǒng);此時(shí)，從圖11中可知，有無穿梭油輪都對(duì)浮筒的水動(dòng)力干擾較小。

4.2 雙浮體時(shí)域模型試驗(yàn)與計(jì)算分析

該模型試驗(yàn)是國內(nèi)首次在深水池中模擬西非雙方向波浪，并針對(duì)深水浮筒及穿梭油輪進(jìn)行的水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究。圖4中的浮筒上有一轉(zhuǎn)盤可繞著浮筒自由旋轉(zhuǎn)，其他自由度則與浮筒固接。在圖5中，連接纜一端與穿梭油輪首部連接，另一端與浮筒轉(zhuǎn)盤邊緣相連，如圖12。此外，由于受到本文數(shù)值計(jì)算手段的限制，無法模擬轉(zhuǎn)盤的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)原理;故將連接纜的一端接在浮筒中心處，柔性連接纜可繞著浮筒中心任意旋轉(zhuǎn);以盡量接近轉(zhuǎn)盤可產(chǎn)生的自由轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，并保證連接纜剛度一致。表5給出了連接纜參數(shù)。

圖12 浮筒與穿梭油輪模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算布置簡圖Fig.12 Experimental and numerical set-up of buoy and shuttle tanker

表5 連接纜參數(shù)Tab.5 Parameters of hawser line

在穿梭油輪和浮筒組合原油外輸作業(yè)的時(shí)域計(jì)算中，工程中常常關(guān)心以下幾點(diǎn):1)穿梭油輪的平面運(yùn)動(dòng);2)穿梭油輪不與浮筒或者其他浮體相碰撞;3)連接纜的張力大小等。在西非海域一年一遇的作業(yè)環(huán)境條件下，對(duì)浮筒及穿梭油輪聯(lián)合輸油作業(yè)過程進(jìn)行了約30 h的模型試驗(yàn)，采樣頻率為20 Hz，在1∶50的縮尺比下對(duì)應(yīng)實(shí)型時(shí)間超過3小時(shí)。表6給出了模型試驗(yàn)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。浮筒初始位置為Surge=0 m，Sway=0 m，Yaw=0°;穿梭油輪首部初始位置為 Surge=-110 m，Sway=0 m，Yaw=0°。

穿梭油輪水平運(yùn)動(dòng)幅值較大，特別是橫蕩極值近170 m、首搖極值近50°，這直接導(dǎo)致浮筒上轉(zhuǎn)盤的首搖也相應(yīng)發(fā)生較大響應(yīng)，最大幅值近60°。連接纜張力最大值近130 t。

表6 浮筒及穿梭油輪聯(lián)合作業(yè)模型試驗(yàn)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of offloading operation by buoy and shuttle tanker

圖13給出了穿梭油輪垂向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)能量譜，模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算能較好地吻合?？梢?，穿梭油輪的垂蕩、橫搖和縱搖主要都受到涌浪的控制，其響應(yīng)均在涌浪主要頻率范圍內(nèi)，而在入射風(fēng)浪范圍內(nèi)幾乎沒有響應(yīng)。其中，橫搖以自身固有周期在波浪下響應(yīng)。

圖13 穿梭油輪的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜Fig.13 Response spectra of vertical motions of shuttle tanker

另一方面，在風(fēng)浪流作用下單點(diǎn)系泊的穿梭油輪平面運(yùn)動(dòng)本身較為復(fù)雜;在西非的雙方向波浪環(huán)境下，波浪二階低頻慢漂力將使平面運(yùn)動(dòng)計(jì)算變得更為復(fù)雜;此外，還有風(fēng)、流造成的一些非線性擾動(dòng)在計(jì)算中難以考慮。圖14給出了穿梭油輪平面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程響應(yīng)，包括首搖以及首部的橫蕩、首尾部運(yùn)動(dòng)軌跡線。響應(yīng)的周期循環(huán)性非常明顯，數(shù)值計(jì)算每個(gè)周期的響應(yīng)較為規(guī)則，而模型試驗(yàn)中由于受到風(fēng)、流不穩(wěn)定因素的干擾，各周期之間存在一定的區(qū)別。從軌跡圖中可以看出，單個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)“8”字形狀，并不斷重復(fù)。

圖14 穿梭油輪的平面運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.14 Horizontal motions of shuttle tanker

原油外輸作業(yè)時(shí)，浮筒不會(huì)與穿梭油輪發(fā)生碰撞。此外，考慮穿梭油輪自身長約270 m，觀察圖14中油輪的首、尾部運(yùn)動(dòng)軌跡線，在圖示中的坐標(biāo)范圍內(nèi)若有其他浮體或者船只存在，會(huì)有較大可能發(fā)生碰撞，或與輸油管線、連接纜等發(fā)生接觸。

模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的平面運(yùn)動(dòng)幅值相差不大，橫蕩、首搖最大幅值的相對(duì)誤差都不超過10%;響應(yīng)周期在1 000 s以上，主要差別也在響應(yīng)周期上，數(shù)值計(jì)算的周期大于模型試驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)誤差約20%。這可能是物理模型和數(shù)值模型之間的不完全一致造成的，這種單點(diǎn)系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)某些參數(shù)比較敏感，如連接纜的剛度、長度，轉(zhuǎn)盤與浮筒之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)和約束，風(fēng)、流的不穩(wěn)定因素以及復(fù)雜的粘性效應(yīng)，甚至與波浪慢漂力的影響都密切相關(guān)?？偟膩碚f，數(shù)值計(jì)算能夠清晰地反映穿梭油輪在西非雙方向波浪海洋環(huán)境下的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。

5 結(jié)語

隨著深水油氣工程的快速發(fā)展，加入西非海洋油氣開發(fā)是我國重要的戰(zhàn)略步驟之一。針對(duì)西非深水浮筒和穿梭油輪，在特定雙方向入射涌浪、風(fēng)浪環(huán)境下對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)研究。結(jié)論如下:

1)在西非雙方向涌浪和風(fēng)浪條件下，深水浮筒具有鮮明的水動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)。其中，縱蕩受波浪二階慢漂力的控制，波頻范圍內(nèi)響應(yīng)較小;垂蕩則受涌浪成分的控制，其主要響應(yīng)均在涌浪主要頻率范圍內(nèi);而縱搖則受風(fēng)浪成分的控制，響應(yīng)相應(yīng)的在風(fēng)浪主要頻率范圍內(nèi)。

2)由于體積的差異，浮筒和穿梭油輪在波浪中的雙浮體干擾較小，且主要是穿梭油輪對(duì)浮筒影響較大。此外，當(dāng)入射規(guī)則波波長大于油輪水線長度時(shí)，雙浮體干擾幾乎不存在。當(dāng)浮筒頂浪時(shí)，穿梭油輪對(duì)浮筒的水動(dòng)力干擾較小;相反，當(dāng)穿梭油輪頂浪時(shí)，由于繞射、輻射效應(yīng)的作用，浮筒受到較大的水動(dòng)力干擾，且運(yùn)動(dòng)幅值有變小的趨勢(shì)。

3)浮筒和穿梭油輪聯(lián)合作業(yè)時(shí)，穿梭油輪的垂向運(yùn)動(dòng)受涌浪的控制，其主要響應(yīng)均在涌浪主要頻率范圍內(nèi);而平面運(yùn)動(dòng)則更多受到雙方向波浪慢漂力和風(fēng)、流作用力的影響，且運(yùn)動(dòng)周期性往復(fù)現(xiàn)象非常明顯。穿梭油輪在橫向的漂移幅值較大，最大可達(dá)約170～180 m，同時(shí)首搖運(yùn)動(dòng)幅值可至50°～60°;此外，在單個(gè)平面運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，穿梭油輪首部的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)“8”字形狀，并在多個(gè)周期內(nèi)重復(fù)。

對(duì)于深水油氣外輸作業(yè)，穿梭油輪的平面穩(wěn)定性非常值得關(guān)注，本文基于水動(dòng)力進(jìn)行了前期的一些探索和討論;進(jìn)一步的工作可深入考慮整個(gè)開發(fā)模式內(nèi)的浮體、管線等，如多點(diǎn)系泊FPSO、深水浮筒以及穿梭油輪，立管，輸油管線等，研究其系統(tǒng)在西非海洋環(huán)境下的整體響應(yīng)。

［1］王瑩瑩，段夢(mèng)蘭，馮 瑋，等.西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39(11):1-8.

［2］Bunnik，G.de Boer，Cozijn，et al.Coupled mooring analysis in large scale model tests on a deepwater CALM buoy in mild wave conditions［C］//Proceedings of OMAE.2002:paper no.28056.

［3］孫金偉，劉建軍，王增波，等.海洋工程多體系統(tǒng)非線性耦合分析研究［C］//第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)議集.北京:海洋出版社，2011:37-42.

［4］Cozijn，Bunnik.Coupled mooring analysis for a deepwater CALM buoy［C］//Proceedings of OMAE.2004:paper no.51370.

［5］Z J Huang，Santala，H Wang，et al.Component approach for confident predictions of deepwater CALM buoy coupled motions-Part 1:Philosophy［C］//Proceedings of OMAE.2005:paper no.67138.

［6］Santala，Z J Huang，H Wang，et al.Component approach for confident predictions of deepwater CALM buoy coupled motions-Part 2:Analytical Implementation［C］//Proceedings of OMAE.2005:paper no.67140.

［7］Thomas E.Schellin.Dynamics of single point mooring configurations［C］//International Maritime Conference.2007:83-97.

［8］Newman J N.Marine hydrodynamics［M］.The MIT Press，1977:102-131.

［9］戴遺山，段文洋.船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)的勢(shì)流理論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008:63-90;173-186.

［10］Cummins W E.The Impulse Response Function and Ship Motions［J］.Schiffstechnik，1962，9:101-109.

［11］Marintek.SIMO Theory Report［R］.2009:26-27.

［12］Det Norske Veritas.DeepC Theory Manual［M］.2005:12-13.

［13］蘇一華.深海平臺(tái)系泊系統(tǒng)模型截?cái)嗉霸囼?yàn)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009:5-8.

［14］楊建民，顧海粟，姚美旺，等.非接觸式六自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)量與分析方法［J］.海洋工程，1999，17(2):17-21.

Investigation on hydrodynamic performances of deepwater CALM buoy and shuttle tanker off West Africa

ZHANG Lei，YANG Jian-min，LV Hai-ning，XIAO Long-fei
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Based on 3D potential theory and coupled time-domain analysis，a numerical simulation is made focusing on a deepwater buoy and a shuttle tanker in bi-directional swell and wind-sea off West Africa.Comparing with model tests in deepwater offshore basin，numerical results agree well with measured ones.Reasonable prediction and analyses on hydrodynamic performances of both deepwater buoy and shuttle tanker have been made.An important technical reference on practical engineering is obtained for offshore oil＆gas production in West Africa.

deepwater CALM buoy;shuttle tanker;off West Africa;numerical simulation;model test

U666.1

A

1005-9865(2012)03-0009-09

2011-11-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50879045)

張 磊(1986-)，男，四川成都人，碩士生，主要從事海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:blackie.zhang@gmail.com