旁靠系泊油船水動力相互作用分析

，，

(1.華中科技大學 船舶與海洋工程學院， 武漢430074；2.哈爾濱工程大學 深海工程技術研究中心， 哈爾濱 150001)

從FPSO到穿梭油船的原油/液化天然氣的傳輸，通常采用串靠和旁靠兩種系泊方式。串靠系泊技術相對簡單，但是可靠性不如旁靠，旁靠系泊技術相對復雜繁瑣，具體實施相對困難，技術難點多。由于兩船之間的距離很近，水動力相互作用明顯，影響兩船在波浪中的運動，這不僅與兩船之間的距離有關，還與船的尺度相關[1-4]。

對于距離很近的兩船之間的水動力相互影響的研究十分重要，本文針對旁靠系泊的穿梭油船與FPSO的水動力相互作用進行分析，為后續(xù)的旁靠系泊研究提供技術儲備。

1 原理

采用Century Dynamics公司的水動力及系泊分析軟件AQWA中的AQWA-LINE[5]模塊對油船進行水動力輻射/繞射計算分析，考慮完全的水動力相互作用影響。在進行水動力相互影響分析時，可能會產(chǎn)生異常值，為了抑制異常值的出現(xiàn)，通常有兩種處理方法：在兩船之間采用剛體蓋子以及移除共振頻率。本文采用第一種處理方法。計算不考慮兩船之間的相互影響，為了研究兩船之間距離對水動力相互作用的影響，選取兩船之間的距離分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m，計算作用在船體上的附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力、油船運動的RAO及平均二階波浪漂移力，并將計算結果與不考慮水動力相互影響時的結果進行比較分析。

1.1 有限元模型建立

FPSO和穿梭油船的相關參數(shù)見表1，船體模型見圖1，模型中單元類型和數(shù)量見表2。

表1 FPSO和穿梭油船主尺度對比

圖1 FPSO與穿梭油船總視圖(相對距離D=4.5 m)

表2 模型中單元及數(shù)量

1.2 研究方法

通過AQWA-LINE計算油船在規(guī)則波作用下，不同浪向和不同頻率時所受的一階波浪力、附加質(zhì)量、輻射阻尼、平均二階波浪漂移力及一階響應RAO。

旁靠系泊時，考慮到安裝的護舷材的尺寸范圍，定義FPSO與穿梭油船的相對距離為D，并考慮D在3.0～4.5 m的范圍內(nèi)變化時的影響。定義浪的方向為迎浪180°、橫浪90°,水動力計算參數(shù)為作業(yè)水深100 m;浪向角α分別為90°、135°、180°；波浪圓頻率ω為0.10～1.25 rad/s(取值間隔0.05)；兩船距離D分別取3.0、3.5、4.0、4.5 m，從FPSO右舷到穿梭油船左舷。

AQWA-LINE通過數(shù)值求解以下運動方程，計算油船在規(guī)則波作用下的響應，通常定義為幅值響應算子RAO。

(1)

式中:Ms——結構質(zhì)量矩陣；

Ma——水動力附加質(zhì)量矩陣；

C——系統(tǒng)線性阻尼矩陣；

Ks——系統(tǒng)總剛度矩陣；

F——系統(tǒng)所受的波浪力(波高)；

X——幅值響應算子 (RAOs)；

ω——入射規(guī)則波頻率。

AQWA計算時，將系統(tǒng)所受的波浪力F分為兩部分：入射力(或稱Froude-Krylov力)和繞射力，并且都是簡諧的。

(2)

(3)

式中:ζr——相對波高；

S0——結構濕表面；

X——結構表面的運動；

Ms——結構質(zhì)量；

R——結構轉(zhuǎn)動矩陣；

2 計算結果分析

由于FPSO較穿梭油船尺寸大，故有必要研究FPSO對穿梭油船的屏蔽效應。由于旁靠系泊，兩船之間距離較小，這種相互作用更加明顯，計算時共選用4個不同的相對距離做研究分析，計算穿梭油船在不同浪向角(α=90°,135°,180°)和不同頻率下的響應，并與不考慮兩船水動力相互作用時的情況進行比較分析，計算結果見圖2。

圖2 附加質(zhì)量和輻射阻尼隨波頻變化比較

圖2中AL-NO為不考慮水動力相互作用時的計算結果(兩船相對距離為4.5 m)，AL-3-0、AL-3-5、AL-4-0、AL-4-5為兩船相對距離D分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m時的計算結果。

2.1 附加質(zhì)量和輻射阻尼

計算分析穿梭油船在橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖方向的6個自由度的附加質(zhì)量和輻射阻尼隨波頻的變化，分別與不考慮水動力相互影響時的情況進行了比較分析，此時D=4.5 m。分析表明，波頻在0.80 rad/s附近，考慮水動力相互影響時，附加質(zhì)量和輻射阻尼都會產(chǎn)生一定的波動，這可能是由于兩船之間的水動力相互作用，發(fā)生一定的共振引起的；而在低頻段和高頻段，考慮水動力相互作用與否并沒有太大的差別。圖2分別給出了橫蕩方向上的附加質(zhì)量和輻射阻尼受水動力相互影響的對比圖，可以看出在頻率接近0.8 rad/s時，會有明顯的峰值出現(xiàn)。

2.2 一階波浪力

圖3、4、5是相對距離D不同時，作用在穿梭油船上的繞射力隨波頻變化，分別與不考慮水動力相互影響時的情況進行比較，考慮三個浪向角α=90°、135°、180°。

圖3 α=90°，相對距離不同時的波浪繞射力比較

圖4 α=135°，相對距離不同時的波浪繞射力比較

圖5 α=180°，相對距離不同時的波浪繞射力比較

由于篇幅所限，本文只研究穿梭油船在縱蕩和橫蕩方向上的繞射力受水動力相互作用的影響，這也是旁靠系泊時主要考慮的船體運動響應。對比可以發(fā)現(xiàn)，水動力相互作用對繞射力的影響在低頻段要強于高頻段，并且在波頻為0.8 rad/s附近出現(xiàn)峰值。在低頻段，不論浪向角如何，考慮水動力相互影響時在縱蕩方向上的繞射力都要大于不考慮水動力相互影響時的值。但是對于橫蕩方向上的繞射力，當α=90°時，不考慮水動力相互影響時的繞射力要大，當α=135°時，兩者接近，當α=180°時，考慮水動力相互影響時的繞射力值要大。

從圖5中也可以看出，當α=180°，不考慮FPSO與穿梭油船的水動力相互作用時，穿梭油船所受到的波浪繞射力為0。

盡管水動力相互作用對波浪繞射力影響很大，但是波浪入射力不受水動力相互作用及兩船相對距離的影響，因此二者的合力隨波頻變化的曲線圖決定于繞射力。當α=180°，不考慮水動力相互影響時，穿梭油船在橫蕩、橫搖和艏搖方向所受的一階波浪力之和幾乎為0，這是符合波浪理論解的。但當考慮水動力相互影響時，由于FPSO與穿梭油船之間相互影響，一階波浪力之和并不為0。

圖6給出了橫蕩方向的，一階波浪力之和隨波頻變化。從圖6可以看出一階波浪力之和隨浪向角α的變化情況，隨著浪向角α的增大，一階波浪力之和逐漸減小。

圖6 一階波浪力之和隨波頻變化比較

2.3 幅值響應算子RAO

以上分析表明，波浪繞射力受水動力相互作用的影響較大，將直接影響RAO的值。但是由于附加質(zhì)量和輻射阻尼所受影響很小，同時，波浪入射力和靜水力受水動力相互作用的影響也很小，因此在總的合力作用下，油船響應的RAO受水動力相互作用的影響并不大。

圖7給出了穿梭油船在橫蕩方向的幅值響應算子隨波頻變化的比較。從圖7可以看出，幅值響應算子受水動力相互作用的影響很小，可以忽略；隨著浪向角α的增大，幅值響應算子的值逐漸減小，當α=180°時，幅值響應算子幾乎為0。

圖7 RAO隨波頻變化比較

2.4 平均二階波浪漂移力

限于篇幅，本文只研究穿梭油船在縱蕩和橫蕩方向上的平均二階波浪漂移力受水動力相互作用的影響，這也是旁靠系泊時主要考慮的船體運動響應。穿梭油船在不同浪向角下，相對距離D不同時，平均二階波浪漂移力隨波頻的變化見圖8～10。對比可以發(fā)現(xiàn)，不論浪向角如何，平均二階波浪漂移力在高頻段受水動力相互作用影響顯著，而在低頻段幾乎不受影響。而隨著FPSO與穿梭油船之間距離的變化，水動力的相互影響并沒有太大的差別。

圖8 α=90°，相對距離不同時的平均二階波浪漂移力比較

圖9 α=135°，相對距離不同時的平均二階波浪漂移力比較

圖10 α=180°，相對距離不同時的平均二階波浪漂移力比較

3 結論

1)附加質(zhì)量和輻射阻尼受水動力相互作用的影響不大，但是在波頻為0.8 rad/s附近時會出現(xiàn)波動，很有可能是考慮水動力相互作用時的共振引起的。

2)一階波浪力中的繞射力受水動力相互作用影響顯著。

3)整體而言幅值響應算子RAO受水動力相互作用影響很小，對于旁靠系泊FPSO與穿梭油船之間的水動力相互作用可以不予考慮。

4)平均二階波浪漂移力在高頻段受水動力相互作用影響顯著，而在低頻段幾乎不受影響。

5)隨著FPSO與穿梭油船相對距離的小范圍變化，水動力相互作用的影響并沒有太大的差別。

6)由于本文研究的旁靠系泊油船的作業(yè)水深為100 m，所以并沒有討論淺水效應的問題，對于該問題的研究有待于今后進一步開展。

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[5] AQWA SUPPORT MANAGER. AQWA-LINE MANUAL[S]. Century Dynamics Limited, 2006.