吳文成，鄒 康

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司船舶事業(yè)部，北京 101149；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

深水供應(yīng)船耐波性及減搖效果研究

吳文成1，鄒 康2

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司船舶事業(yè)部，北京 101149；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

采用基于三維頻域勢流理論的數(shù)值計(jì)算方法，對某深水供應(yīng)船運(yùn)動性能進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合深水供應(yīng)船的特點(diǎn)，選取相關(guān)安全作業(yè)和安全航行的耐波性運(yùn)動衡準(zhǔn)，分析了深水供應(yīng)船的耐波性能。計(jì)算結(jié)果表明，該船能滿足7級風(fēng)對應(yīng)海況下的安全作業(yè)以及12級風(fēng)對應(yīng)海況下的安全航行要求。根據(jù)實(shí)際情況，采用勢流和黏性相結(jié)合的時(shí)域數(shù)值計(jì)算方法，對該船所配備的平面被動式減搖水艙的減搖效果進(jìn)行了計(jì)算和評估，減搖水艙裝載率為60%艙高，在不規(guī)則波中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示該船在≤7級風(fēng)對應(yīng)海況作業(yè)時(shí)，有望獲得25%～44%的不規(guī)則波減搖率，艏斜浪下的減搖率較橫浪大，并且隨著波高的增加減搖率下降。該研究可為了解此類船舶的耐波性及減搖性提供參考。

深水供應(yīng)船；耐波性；減搖水艙；減搖率評估

0 引 言

海洋作為全球油氣資源開發(fā)的新領(lǐng)域，已經(jīng)成為全球油氣資源重要的接替區(qū)。而深水是當(dāng)今世界油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)，當(dāng)前國際各大石油公司的新動向就是走出已經(jīng)勘探較多的陸架海區(qū)，尋找深海海底的油氣藏。隨著海上石油開采不斷向深海進(jìn)軍，使得海洋工程船舶必須經(jīng)受更加惡劣海洋條件的考驗(yàn)。因此其耐波性，特別是低航速和零航速作業(yè)工況下的耐波性備受關(guān)注。

以某深水供應(yīng)船為研究對象，采用數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合其作業(yè)和航行特點(diǎn)以及相關(guān)運(yùn)動衡準(zhǔn)要求，對該船的耐波性進(jìn)行計(jì)算和分析。另外，還對該船配備的減搖水艙減搖效果進(jìn)行了計(jì)算和評估，以更全面了解該船的耐波性。

1 計(jì)算方法

采用三維線性頻域勢流理論進(jìn)行耐波性計(jì)算，計(jì)算未考慮減搖水艙的影響。頻域方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果也令人滿意。在工程上應(yīng)用非常廣泛［1］。

帶減搖水艙的船舶運(yùn)動計(jì)算是采用基于三維時(shí)域勢流理論和黏流理論相結(jié)合的數(shù)值方法進(jìn)行的。具體方法是：將船舶運(yùn)動與減搖水艙內(nèi)水體運(yùn)動在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行耦合求解，船舶運(yùn)動作為減搖水艙運(yùn)動的激勵(lì)輸入，而減搖水艙內(nèi)水體在艙壁上產(chǎn)生的力/力矩則作為外力/力矩輸入船舶運(yùn)動方程中求解，如此往復(fù)；其中，船舶運(yùn)動采用三維線性時(shí)域勢流理論求解，減搖水艙內(nèi)水體運(yùn)動則采用基于RANS方程的CFD法進(jìn)行，兩者在每一時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行耦合求解［2］。

考慮到黏性對橫搖阻尼的影響以及阻尼的非線性特點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)［3］中所述半經(jīng)驗(yàn)的ITH法計(jì)算非線性橫搖阻尼系數(shù)并進(jìn)行運(yùn)動響應(yīng)的預(yù)報(bào)。

2 研究對象

研究對象為一艘深水供應(yīng)船，該船在船尾主甲板以下設(shè)置了一個(gè)平面被動式減搖水艙，水艙尺度為5.2m×20m×3m，艙內(nèi)布置兩排圓柱形阻尼格柵。

船體主尺度和參數(shù)列于表1中。圖1為設(shè)計(jì)吃水耐波性計(jì)算船體面源網(wǎng)格。圖2為減搖水艙計(jì)算三維體網(wǎng)格。

表1　深水供應(yīng)船主要參數(shù) 單位：m

圖1　耐波性計(jì)算船體面源網(wǎng)格（設(shè)計(jì)吃水）

圖2　減搖水艙計(jì)算三維體網(wǎng)格

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1耐波性計(jì)算

對深水供應(yīng)船在設(shè)計(jì)吃水（5.2m）和最大吃水（7.0m）下的運(yùn)動響應(yīng)作了計(jì)算，計(jì)算未考慮減搖水艙的影響，考慮水艙為排空狀態(tài)。由于供應(yīng)船供應(yīng)作業(yè)時(shí)通常為零航速，而在大浪中航行時(shí)，受增阻、上浪、槳出水等影響，無法以較高航速航行。因此，計(jì)算航速分別選取0kn和6kn，浪向?yàn)?～180°，間隔45°。不規(guī)則波中運(yùn)動響應(yīng)短期預(yù)報(bào)所選用的海況見表2，波浪譜選用ITTC雙參數(shù)譜。

表2　不規(guī)則波預(yù)報(bào)海況

通過計(jì)算，得到深水供應(yīng)船不同工況下的運(yùn)動響應(yīng)幅值算子（RAO）曲線，繼而可預(yù)報(bào)不規(guī)則波海況下的運(yùn)動響應(yīng)值。圖3為部分零航速RAO曲線示例。表3～5列出了不規(guī)則波中運(yùn)動響應(yīng)單幅有義值預(yù)報(bào)結(jié)果，包括垂蕩、橫搖、縱搖艉部1站垂向加速度（艉加）、重心處垂向加速度（舯加）和艏部19站處垂向加速度（艏加）。

3.1.1沿海常見波高下運(yùn)動性能

從表3、4可知，沿海常見波高下（1.5m），該船設(shè)計(jì)吃水和最大吃水下的橫搖單幅有義值的最大值均小于5.0°，縱搖單幅有義值的最大值均小于1.5°，運(yùn)動性能良好。

3.1.2作業(yè)工況下運(yùn)動性能

根據(jù)文獻(xiàn)［5］研究，作業(yè)工況下垂向加速度和橫搖單幅有義值衡準(zhǔn)分別為2.94m/s2和12°。從計(jì)算結(jié)果可知，0航速下，有義波高≤4.0m（對應(yīng)7級風(fēng)）時(shí)，垂向加速度和橫搖單幅有義值的最大值分別為1.72m/s2和10.97°，計(jì)算結(jié)果表明該船在7級風(fēng)對應(yīng)海況下耐波性滿足相關(guān)作業(yè)衡準(zhǔn)要求。

3.1.3大浪航行工況下運(yùn)動性能

根據(jù)文獻(xiàn)［5］研究，考慮到操舵、觀察、航海作業(yè)等要求，艏部垂向加速度單幅有義值衡準(zhǔn)為5.40m/s2。從計(jì)算結(jié)果來看，航速6kn時(shí)，艏部垂向加速度最大值為5.04m/s2，計(jì)算結(jié)果表明該船在12級風(fēng)對應(yīng)海況下的耐波性能滿足相關(guān)安全航行的衡準(zhǔn)要求。

圖3　零航速不同浪向ARO

表3　不規(guī)則波運(yùn)動單幅有義值預(yù)報(bào)結(jié)果（設(shè)計(jì)吃水）

表4　不規(guī)則波運(yùn)動單幅有義值預(yù)報(bào)結(jié)果（最大吃水）

3.2減搖效果計(jì)算

對深水供應(yīng)船不規(guī)則波中的減搖效果作了計(jì)算。其中，計(jì)算吃水為設(shè)計(jì)吃水，計(jì)算航速為零航速，水艙裝載率為60%液艙高度。計(jì)算直接在不規(guī)則波中進(jìn)行，得到船舶在不規(guī)則波中的運(yùn)動時(shí)歷，繼而分析各運(yùn)動響應(yīng)值。表5為減搖前后運(yùn)動單幅有義值對比。其中減搖率的定義如下：

式中：φoff，φon——分別為減搖水艙開啟前后的橫搖運(yùn)動單幅有義值。

從表5可知，減搖水艙對垂蕩和縱搖的影響不大，主要影響橫搖運(yùn)動。就所計(jì)算的工況而言，艏斜浪135°的橫搖減搖率均大于橫浪 90°情況下的數(shù)值。此外，隨著有義波高的增加，橫搖減搖率下降，這主要是因?yàn)橥獠坎ɡ藬_動力增加以及減搖水艙運(yùn)動的非線性特性影響所致。其中最大減搖率為有義波高1.5m，135°浪向，減搖率為44%，最小減搖率為有義波高4.0m，橫浪90°，減搖率為25%。

圖4、5為減搖前后的橫搖運(yùn)動時(shí)歷對比曲線。圖6為有義波高4.0m時(shí)某時(shí)刻減搖水艙內(nèi)液面形狀。

表5　減搖前后運(yùn)動單幅有義值對比（設(shè)計(jì)吃水）

圖4　減搖前后橫搖運(yùn)動時(shí)歷對比（有義波高=1.5m，跨零周期=6.0s，浪向=135°

圖5 減搖前后橫搖運(yùn)動時(shí)歷對比（有義波高=4.0m，跨零周期=7.5s，浪向=90°）

圖6水艙自由液面形狀（有義波高=4.0m，跨零周期=7.5s，浪向=90°）

4 結(jié) 語

通過數(shù)值計(jì)算，研究了某深水供應(yīng)船耐波性能及減搖水艙減搖效果，得到以下主要結(jié)論：

1） 該船滿足7級風(fēng)對應(yīng)海況下作業(yè)，以及12級風(fēng)對應(yīng)海況下安全航行的相關(guān)耐波性運(yùn)動衡準(zhǔn)要求；

2） 減搖水艙使用后，該船在7級風(fēng)及以下風(fēng)級對應(yīng)海況作業(yè)時(shí)，有望獲得25%～44%的不規(guī)則波減搖率，隨著波高的增加，減搖率降低。

［1］ 李積德. 船舶耐波性［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［2］ Kang Zou，Q-m Miao et al.Motion prediction of the ship with sloshing tanks［C］. OMAE..2009.958-962.

［3］ Xiao-bo CHEN et al.Hydrostar for Experts User Manual［R］. France： BV， 2012.

［4］ 方鐘圣，等. 西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［5］ 戴仁元，等. 船舶耐波性評價(jià)方法與衡準(zhǔn)［J］. 中國造船，1990（增刊1）： 175-180.

工藝與材料

Study on the Deepwater Supply Vessel Seakeeping and Anti-rolling Effect

WU Wen-cheng1， ZHOU Kang2
（1. China Oilfield Services Limited，Beijing 101149；2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203）

Using the 3D frequency domain potential theory based numerical computation method， this paper calculates the motion performance of a deepwater platform supply vessel （PSV）. On the basis of the ship's characteristics， the safe operation and safe navigation seakeeping standards are selected in order to analyze the seakeeping performance of the deepwater supply vessel. The result shows that the vessel can meet the safe operation requirements under sea conditions of wind scale 7， and can meet the safe navigation requirements under sea conditions of wind scale 12. According to the actual situation， a combined potential and viscous flow time domain numerical calculation method is adopted， the anti-rolling effect of the planar passive type anti-rolling tank onboard this ship is calculated and evaluated. With the loading factor of 60% tank height， the calculation result in irregular waves shows that when the ship operates in sea states corresponding to ≤7 wind scale， the rolling-damper efficiency in irregular waves can be as high as 25%～44%. The rolling-damper efficiency is found larger in bow sea than in beam sea and it decreases with the increase of wave height. This study can provide some reference for understanding the seakeeping and anti-rolling performance of such ship type.

deepwater supply vessel； seakeeping； anti-rolling tank； roll-damper efficiency evaluation

U661.1

A

2095-4069 （2016） 01-0036-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.007

2015-02-13

吳文成，男，工程師，1963年生。1982年畢業(yè)于海洋石油學(xué)校輪機(jī)管理專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油支持船使用與技術(shù)研究工作。