章紅雨，梁雙令，齊江輝，鄭亞雄

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

海洋核動(dòng)力平臺(tái)是搭載有核動(dòng)力裝置的非自航船式浮動(dòng)平臺(tái)，長(zhǎng)期單點(diǎn)系泊于渤海指定作業(yè)海域，可根據(jù)用戶需要提供電能和淡水。

海洋核動(dòng)力平臺(tái)搭載核動(dòng)力裝置，不僅需要滿足用戶不間斷能源供應(yīng)需求，同時(shí)還要保證核安全要求。因此海洋核動(dòng)力平臺(tái)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期比同樣采用單點(diǎn)系泊型式的FPSO高，對(duì)船體的穩(wěn)性要求更高，抗風(fēng)浪能力更強(qiáng)。

FPSO是海洋油氣開發(fā)中應(yīng)用最廣泛的海洋工程裝備，例如作業(yè)于渤海海域的“明珠”號(hào)和“長(zhǎng)青”號(hào)，采用塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置系泊，使得FPSO具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，能使FPSO處于風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境聯(lián)合作用下，位于最小環(huán)境力的位置上[1]。

本文針對(duì)1艘作業(yè)于渤海海域的海洋核動(dòng)力平臺(tái)，采用數(shù)值方法對(duì)平臺(tái)的耐波性進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻域和時(shí)域結(jié)果。

1 理論概述

平臺(tái)頻域運(yùn)動(dòng)方程為：

式中： M 為平臺(tái)的質(zhì)量矩陣； Ma為附加質(zhì)量矩陣；B 為阻尼系數(shù)； K 為靜水力剛度矩陣； F為波浪力。時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：K(t)為時(shí)延函數(shù)；Fw(t)， Fwind(t)， Fcur(t)和Fm(t)分別為一階波浪力，風(fēng)力，流力和系泊力[2]。

依據(jù)API RP 2SK[3]規(guī)范采用模塊法計(jì)算風(fēng)力和流力[3]。風(fēng)力計(jì)算公式為：

式中： Cw為風(fēng)力系數(shù)，0.615 N·s2/m4； Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)； Aw為迎風(fēng)面積； Vz為海平面上10 m處的平均風(fēng)速。

流力計(jì)算公式為：

式中：為設(shè)計(jì)流速；為流力系數(shù)，515.62 N·s2/m4；為拖曳力系數(shù)；為水線以下沿流向的投影面積。CdAc

2 計(jì)算條件

2.1 平臺(tái)參數(shù)

模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算分別選取了2種典型的裝載工況，即壓載工況和滿載工況。平臺(tái)主尺度和2種載況下的主要參數(shù)如表1所示。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of FPSO

2.2 環(huán)境條件

時(shí)域計(jì)算工況分為作業(yè)工況與自存工況，作業(yè)工況為船上設(shè)備保持作業(yè)狀態(tài)時(shí)能夠承受的最惡劣工況，自存工況為在該工況下保證平臺(tái)總體安全和船上設(shè)備不損壞[4]，環(huán)境條件如表2所示。

表2 環(huán)境條件Tab. 2 Environmental conditions

風(fēng)浪流不同方向的組合對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能影響很大。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的最大值可能出現(xiàn)在：風(fēng)、浪同向，流與風(fēng)、浪成 0°，30°，45°或 90°角；風(fēng)、浪同向且無流；浪、流同向，風(fēng)與浪、流成30°，45°或90°角。一般情況下，取風(fēng)與浪同向，流與風(fēng)浪成0°，30°，45°和90°角為基本工況，再增加無流且風(fēng)與浪同向和浪與流同向、風(fēng)與浪流成某一夾角2種工況。因此，模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算中風(fēng)浪流方向組合如表3所示。

表3 風(fēng)浪流方向組合Tab. 3 Directions combinations of wind, wave and current

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 頻域計(jì)算模型

平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，由4根水平放置的帶有彈簧的軟繩系泊，以提供足夠大的縱蕩、橫蕩和首搖固有周期，這樣既可以把平臺(tái)模型限制在一定的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，又不影響平臺(tái)的波頻運(yùn)動(dòng)。數(shù)值計(jì)算水動(dòng)力網(wǎng)格如圖2所示。

3.2 時(shí)域計(jì)算模型

塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)由系泊塔架、旋轉(zhuǎn)接頭、系泊機(jī)構(gòu)和平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)4部分組成。該裝置適用于淺水海域，如渤海海域。模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算中時(shí)域模型分別如圖3和圖4所示，平臺(tái)由單點(diǎn)系泊裝置系泊，并由軟鋼臂的配重提供系泊恢復(fù)力。

圖1 模型試驗(yàn)頻域模型Fig. 1 Frequency domain model of model test

圖2 數(shù)值計(jì)算頻域模型Fig. 2 Frequency domain model of numerical calculation

圖3 模型試驗(yàn)時(shí)域模型Fig. 3 Time domain model of model test

圖4 數(shù)值計(jì)算時(shí)域模型Fig. 4 Time domain model of numerical calculation

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 頻域計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算采用三維勢(shì)流理論，波浪頻率范圍選取0.2～1.2 rad/s，步長(zhǎng) 0.05 rad/s，浪向角選取 0°～180°，步長(zhǎng)15°。為了提高試驗(yàn)效率，模型試驗(yàn)只針對(duì)典型波浪頻率和浪向角進(jìn)行單位規(guī)則波頻域試驗(yàn)。由2種方法計(jì)算得到的平臺(tái)在壓載狀態(tài)下的RAO曲線如圖5～圖7所示，在滿載狀態(tài)下的RAO曲線如圖8～圖10所示。

4.2 時(shí)域計(jì)算結(jié)果

模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷曲線，提取運(yùn)動(dòng)的有義值和最大值（見表4～表7）。有義值為所有最大幅值按絕對(duì)值從大到小按序排列，對(duì)前1/3最大幅值取平均值。最大值采用Weibull分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到累計(jì)概率為99.9%時(shí)對(duì)應(yīng)的幅值。

圖5 浪向角為90°時(shí)的橫搖RAOFig. 5 Roll RAO in 90° wave direction

圖6 浪向角為180°時(shí)的縱搖RAOFig. 6 Pitch RAO in 180° wave direction

圖7 浪向角為180°時(shí)的升沉RAOFig. 7 Heave RAO in 180° wave direction

圖8 浪向角為90°時(shí)的橫搖RAOFig. 8 Roll RAO in 90° wave direction

圖9 浪向角為180°時(shí)的縱搖RAOFig. 9 Pitch RAO in 180° wave direction

圖10 浪向角為180°時(shí)的升沉RAOFig. 10 Heave RAO in 180° wave direction

表4 壓載工況有義值統(tǒng)計(jì)Tab. 4 Significant values in ballast condition

表5 壓載工況最大值統(tǒng)計(jì)Tab. 5 Maximum valuesin ballast condition

表6 滿載工況有義值統(tǒng)計(jì)Tab. 6 Significant valuesin full load condition

4.3 結(jié)果分析

對(duì)比由數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)2種方法計(jì)算得到的頻域RAO結(jié)果可知：

1）由2種方法計(jì)算得到的RAO曲線吻合較好；

2）數(shù)值計(jì)算由于選取波浪頻率較密，得到的RAO曲線更加光順；

表7 滿載工況最大值統(tǒng)計(jì)Tab. 7 Maximum values in full load condition

3）由于選取頻率較少或外界環(huán)境等因素，模型試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)折線起伏。

對(duì)比在不同風(fēng)浪流方向組合工況下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

1）與模型試驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)值計(jì)算結(jié)果在垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值上相對(duì)較??；

2）由2種方法計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值在不同風(fēng)浪流方向組合工況下的大小趨勢(shì)相同；

3）在極端惡劣海況下，平臺(tái)未出現(xiàn)穩(wěn)性喪失，安全性能夠得到滿足。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)對(duì)由單點(diǎn)系泊裝置系泊的核動(dòng)力平臺(tái)的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，由2種方法計(jì)算得到的頻域和時(shí)域結(jié)果相近，相互驗(yàn)證了2種方法的正確性，可為核動(dòng)力平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供有力的支撐。