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(1. 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 船舶與建筑工程學(xué)院， 江蘇 張家港 215600；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)部， 上海 201913)

規(guī)則波中FPSO的水動(dòng)力性能分析

(季林帥1，嵇春艷2,季麗華3

(1.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇張家港215600；2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；3.上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)部，上海201913)

利用水動(dòng)力軟件AQWA研究FPSO在不同裝載狀況以及不同入射角下的水動(dòng)力性能。結(jié)果表明:附加質(zhì)量、輻射阻尼系數(shù)隨著FPSO吃水的增加而顯著增大；一階波浪力對(duì)頻率變化比較敏感，均有3～4個(gè)峰值；隨入射波頻率的增大，浮體受到的波浪力明顯減小。

FPSO；水動(dòng)力參數(shù)；AQWA

0 引 言

隨著人們對(duì)石油等資源需求的增加，如何高效地開發(fā)海洋資源成為全球密切關(guān)注的問題。FPSO具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]，是海上石油開發(fā)和生產(chǎn)的主力軍[2]。為保證FPSO在惡劣海況下仍能正常的工作，需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。利用切片法，KODAN[3]和OHKUSU[4]對(duì)多浮體的水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。PINKSTER等[5]提出使用三維方法分析波浪中兩浮體的水動(dòng)力響應(yīng)。近年來，三維勢(shì)流理論越來越廣泛地應(yīng)用于大型海洋結(jié)構(gòu)物上，全球各大船級(jí)社幾乎都采用該理論預(yù)報(bào)船舶的運(yùn)動(dòng)和受力情況[6]。

本文采用三維勢(shì)流理論分析FPSO的水動(dòng)力性能，以一艘排水量近40萬(wàn)t的FPSO為研究對(duì)象，在頻域下計(jì)算規(guī)則波中FPSO的水動(dòng)力參數(shù)在不同裝載情況以及不同入射角情況下的變化規(guī)律。

1 有限元模型及參數(shù)設(shè)置

本文的研究對(duì)象為一艘排水量近40萬(wàn)t的FPSO，其基本尺度見表1。

表1 FPSO主尺度 m

利用ANSYS建立有限元模型，通過Meshtool對(duì)FPSO進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大多為四邊形，在曲率變化較大的地方為三角形，如圖1所示。在AQWA中，定義風(fēng)浪流方向角為風(fēng)浪流傳播方向與x軸正方向逆時(shí)針的夾角?？紤]到FPSO關(guān)于x軸對(duì)稱，浪向角范圍取為0°～180°，浪向角增量步長(zhǎng)為30°。如圖2所示。頻域分析時(shí)，規(guī)則微幅波的波浪頻率范圍取0.1～1.3 rad/s。

圖1 FPSO水動(dòng)力面元模型 圖2 AQWA浪向角設(shè)置

2 水動(dòng)力性能計(jì)算與分析

2.1不同吃水深度下的水動(dòng)力性能

由于FPSO在服役過程中裝載量不斷變化，其水動(dòng)力性能受浮態(tài)和水線面慣性矩等因素的影響。因此，根據(jù)工程中FPSO的實(shí)際裝載情況，考慮壓載和滿載2種典型載況(見表1)，研究FPSO水動(dòng)力性能隨吃水的變化規(guī)律。

2.1.1 附加質(zhì)量的變化規(guī)律

附加慣性力與船舶加速度的比例系數(shù)稱為附加質(zhì)量[7]。圖3為2種吃水深度下6個(gè)自由度方向的附加質(zhì)量在浪向角為0°時(shí)的變化規(guī)律。

圖3 附加質(zhì)量隨吃水深度的變化

由圖3可以看出：FPSO的6個(gè)自由度的附加質(zhì)量普遍隨著吃水的增加而增加；在縱蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)水平面自由度上，當(dāng)圓頻率為0～0.8 rad/s時(shí)，F(xiàn)PSO的附加質(zhì)量在不同吃水下相差較大，滿載狀態(tài)下的附加質(zhì)量約為壓載狀態(tài)下的10倍；在橫搖、縱搖和垂蕩3個(gè)垂直平面自由度上，而當(dāng)圓頻率為0～0.5 rad/s時(shí)，F(xiàn)PSO的附加質(zhì)量在不同裝載量下相差較小，當(dāng)圓頻率0.5～1.3 rad/s時(shí)，F(xiàn)PSO滿載狀態(tài)下的附加質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓載狀態(tài)下的附加質(zhì)量。

2.1.2 輻射阻尼系數(shù)的變化規(guī)律

輻射阻尼力與船舶速度的比例系數(shù)即為輻射阻尼系數(shù)。圖4為2種吃水深度下，6個(gè)自由度方向的輻射阻尼系數(shù)在浪向角為0°時(shí)的變化規(guī)律。

圖4 阻尼系數(shù)隨吃水深度的變化

由圖4可以看出：在低頻(小于0.3 rad/s)和高頻(大于1.2 rad/s)范圍內(nèi)，輻射阻尼系數(shù)變化很小。在波頻為0.3～1.2 rad/s時(shí)，輻射阻尼系數(shù)在縱蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)水平面自由度上隨著FPSO裝載情況變化明顯，滿載狀態(tài)下的輻射阻尼系數(shù)約比壓載狀態(tài)下的大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在橫搖，縱搖和垂蕩3個(gè)垂直平面內(nèi)的自由度上，滿載時(shí)的輻射阻尼系數(shù)小于空載狀態(tài)下的輻射阻尼系數(shù)。

2.1.3 一階波激力的變化規(guī)律

在線性理論中，一階波浪力與波幅成正比。圖5為2種吃水深度下，縱蕩、垂蕩和縱搖3個(gè)自由度方向的一階波激力在浪向角為0°時(shí)的變化規(guī)律。

圖5 一階波激力隨吃水深度的變化

由圖5可知：在垂蕩和縱搖2個(gè)自由度上，F(xiàn)PSO的一階波激力在不同吃水狀態(tài)下的變化基本很小。在縱蕩時(shí)，F(xiàn)PSO的一階波激力隨著吃水深度的增加有明顯的增加，滿載狀態(tài)下的一階波激力遠(yuǎn)大于壓載狀態(tài)。這是因?yàn)椋寒?dāng)海洋結(jié)構(gòu)物吃水較大時(shí)，主要受到波浪力對(duì)其的影響，當(dāng)入射角為0°時(shí)，縱蕩方向的運(yùn)動(dòng)最為明顯。

2.1.4 平均二階漂移力的變化規(guī)律

浮式結(jié)構(gòu)物受到的波浪力除了一階波浪力外還有二階波浪力。二階波浪力[8-9]包括二階平均波浪力、差頻力(慢漂力)和頻力(快變力)。圖6為2種吃水深度下，縱蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)自由度方向的二階平均漂移力在浪向角為0°時(shí)的變化規(guī)律。

圖6 二階漂移力隨吃水深度的變化

由圖6可知：二階力遠(yuǎn)小于一階力。在縱蕩和橫蕩時(shí)，F(xiàn)PSO的二階漂移力隨吃水深度的變化基本沒有變化。在艏搖時(shí)，當(dāng)頻率為0～ 0.3 rad/s時(shí)，吃水深度的變化對(duì)FPSO的二階漂移力基本沒有影響；當(dāng)頻率為0.3 ～ 0.9 rad/s時(shí)，F(xiàn)PSO的漂移力隨著吃水的增加而增加。

2.1.5 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子的變化規(guī)律

圖7為2種吃水深度下，縱蕩、垂蕩和縱搖3個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子在浪向角為0°時(shí)的變化規(guī)律。

圖7 RAO隨吃水深度的變化

由圖7可以看出：RAO的變化規(guī)律與一階波激力的變化規(guī)律基本一致，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率與一階波激力相同。因此，在通常情況下，一階波浪力以頻率響應(yīng)函數(shù)的形式給出。

2.2不同浪向角的水動(dòng)力性能

在不同浪向角下，船舶的水動(dòng)力性能不同。通過比較不同浪向角下FPSO的一階波激力、二階平均漂移力以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，對(duì)FPSO的水動(dòng)力性能有了基本了解。為了確保FPSO的安全性，可避開某些對(duì)應(yīng)于水動(dòng)力性能較強(qiáng)的浪向角，從而采用相對(duì)安全的停泊角度。

2.2.1 一階波激力的變化規(guī)律

圖8為FPSO壓載狀態(tài)下，6個(gè)自由度方向的一階波激力隨浪向角β的變化規(guī)律。由于FPSO關(guān)于x軸對(duì)稱，定義浪向角增量步長(zhǎng)為45°，分別分析FPSO在浪向角為0°，30°，60°，90°，120°，150°和180°下，一階波激力的變化規(guī)律。

圖8 一階波激力隨浪向角的變化

由圖8可以看出：一階波浪力對(duì)頻率變化比較敏感，在不同入射角下均有3～4個(gè)峰值；隨入射波頻率的增大，浮體受到的波浪力不斷減小。

在縱蕩和縱搖時(shí)，一階波激力變化規(guī)律類似，F(xiàn)PSO的一階波激力在β=90°時(shí)最小，其數(shù)值隨著波浪頻率的增大基本不變；在其他浪向角的情況下，浮體的一階波激力隨著波浪頻率的增大有較大的波動(dòng)。這與實(shí)際海況中的情況相符。

在橫蕩、垂蕩和橫搖時(shí)，一階波激力變化規(guī)律相似。當(dāng)入射角從0°到90°時(shí)，F(xiàn)PSO的一階波浪力隨著入射角的增大而增大，當(dāng)浪向角為90°時(shí)，一階波激力最大。此外，一階波激力的變化基本關(guān)于y軸對(duì)稱，這是由于FPSO前后型線相差不大造成的，因此，當(dāng)入射角從90°增大到180°時(shí)，F(xiàn)PSO的一階波浪力隨著入射角的增大而減?。划?dāng)浪向角為0°時(shí)，橫蕩和橫搖一階波激力基本為0,且隨著頻率的增加其變化幅度不大。

2.2.2 平均二階漂移力的變化規(guī)律

圖9為縱蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)自由度方向的二階平均漂移力在FPSO壓載狀態(tài)下隨浪向角變化而變化的規(guī)律。

圖9 二階漂移力隨浪向角的變化

由圖9可以看出：FPSO順浪時(shí)，橫蕩漂移力在全頻域上基本為0，而艏搖漂移力矩在0°～90°范圍內(nèi)基本小于0，在90°～180°范圍內(nèi)基本大于0。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子隨波浪入射角的變化特性

圖10為6個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子在FPSO壓載狀態(tài)下隨浪向角β的變化規(guī)律。

圖10 RAO隨浪向角的變化

由圖10可以看出：6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值在入射角下的變化規(guī)律與一階波激力的變化規(guī)律基本一致。

3 結(jié) 論

對(duì)規(guī)則波中FPSO的水動(dòng)力參數(shù)在不同裝載情況以及不同入射角下的變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) FPSO的附加質(zhì)量變化有一個(gè)普遍的規(guī)律，即隨著吃水的增加而增加。

(2) 在低頻(小于0.3 rad/s)和高頻(大于1.2 rad/s)范圍內(nèi)，輻射阻尼系數(shù)變化很小。在波頻0.3～1.2 rad/s范圍內(nèi)，輻射阻尼系數(shù)隨著FPSO裝載情況的變化有較大的變化。

(3) 在縱蕩時(shí)，F(xiàn)PSO的一階波激力隨吃水深度的增加而明顯地增加，滿載狀態(tài)下的一階波激力遠(yuǎn)大于壓載狀態(tài)下的一階波激力。這是因?yàn)楫?dāng)海洋結(jié)構(gòu)物吃水較大時(shí)，其主要受到波浪力的影響，當(dāng)入射角為0°時(shí)，縱蕩方向的運(yùn)動(dòng)最為明顯。同時(shí)，一階波激力在任何入射角下都有一些普遍的規(guī)律：一階波浪力對(duì)頻率變化比較敏感，在不同入射角下均有3～4個(gè)峰值；隨入射波頻率的增大，可以明顯地看到，浮體受到的波浪力不斷減小。

(4) 二階漂移力在數(shù)量級(jí)上遠(yuǎn)小于一階波激力。在縱蕩和橫蕩時(shí)，F(xiàn)PSO的二階漂移力隨吃水深度的變化基本沒有變化。在艏搖時(shí)，當(dāng)頻率為0～ 0.3 rad/s時(shí)，吃水深度的變化對(duì)FPSO的二階漂移力基本沒有影響；當(dāng)頻率0.3 ～ 0.9 rad/s時(shí)，F(xiàn)PSO的漂移力隨著吃水的增加而增加；FPSO順浪時(shí)，橫蕩漂移力基本在全頻域上為0。而艏搖漂移力矩在0°～90°范圍內(nèi)基本小于0，在90°～180°范圍內(nèi)基本大于0，這是由于FPSO關(guān)于中線面對(duì)稱。

(5) 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子隨吃水的變化規(guī)律與一階波激力的變化規(guī)律基本一致，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率與一階波激力相同；此外6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值在不同浪向角下的變化規(guī)律與一階波激力的變化規(guī)律基本相同。因此，在通常情況下，一階波浪力以頻率響應(yīng)函數(shù)的形式表示。

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AnalysisofFPSOHydrodynamicPerformanceinRegularWave

JI Linshuai1, JI Chunyan2, JI Lihua3

(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Suzhou Institute of Technology, Jiangsu University of Science and Technology , Zhangjiagang 215600, Jiangsu， China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu， China; . Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 201913,China )

A FPSO is studied using the hydrodynamic analysis software AQWA to study the dynamics of FPSO under different drafts and different incident wave angle. As the draft increases, the added mass and radiation damping coefficient increase. The first order wave force is sensitive to the change of frequency, all of which have 3 to 4 peaks. With the increase of incident wave frequency, the wave force is obviously reduced.

FPSO; hydrodynamic parameters; AQWA

U656

A

2017-08-24

季林帥(1990-)，男， 碩士研究生

1001-4500(2017)05-0075-07