穿梭液化天然氣船旁靠計(jì)算

俞 赟，劉 鵬

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

作為一種清潔能源，液化天然氣（LNG）的市場(chǎng)需求量一直在穩(wěn)定增長(zhǎng)。穿梭LNG船，作為浮式天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FLNG）和陸上LNG接收端之間的聯(lián)系者顯得尤為重要。其旁靠作業(yè)的安全性也成為研究的熱點(diǎn)之一。

與常規(guī)加油船靠泊、碼頭系泊等不同，穿梭LNG船和FLNG的尺度相當(dāng)，因此其兩船間的相互影響尤為重要。兩船之間的相互作用已成為解決系泊系統(tǒng)和外輸作業(yè)之間相互關(guān)系的關(guān)鍵問(wèn)題。兩船之間的相互影響包括機(jī)械和水動(dòng)力的相互作用。機(jī)械的相互作用通過(guò)船體之間構(gòu)件的性能進(jìn)行模擬，而水動(dòng)力的相互作用則非常復(fù)雜，需要通過(guò)完整求解多體之間的相互作用得到。兩船旁靠時(shí)，在某些波浪頻率下的運(yùn)動(dòng)可能非常小，而在某些波浪頻率下運(yùn)動(dòng)非常劇烈。因此，對(duì)于此運(yùn)動(dòng)需要特別關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者王建方[1]、陳曉波等[2]對(duì)其理論進(jìn)行了大量的研究工作，匡曉峰等[3]、羅偉等[4]對(duì)模型試驗(yàn)也做了研究。

以170000m3穿梭LNG船與250000m3FLNG裝置旁靠運(yùn)動(dòng)為例，簡(jiǎn)要闡述了旁靠運(yùn)動(dòng)計(jì)算的原理，從運(yùn)動(dòng)性能角度分析了旁靠作業(yè)時(shí)兩船的相互效應(yīng)對(duì)固有周期、兩船間運(yùn)動(dòng)、兩船間波浪的遮蔽效應(yīng)等的影響，對(duì)旁靠作業(yè)船的靠泊方向提出了建議。

1 主尺度

穿梭LNG船和FLNG船的主尺度見(jiàn)表1。

表1 主尺度 單位：m

圖1 坐標(biāo)系

2 坐標(biāo)系統(tǒng)

穿梭LNG船和FLNG船的坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 運(yùn)動(dòng)方程

采用三維線性零航速頻域理論結(jié)合阻尼耗散系數(shù)法，對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)[5]。三維線性零航速頻域理論假定附體在波幅上運(yùn)動(dòng)，則非線性而位置不確定的自由面可展成一階自由面條件；滿足流體不可滲透濕表面物面條件可展成一階物面條件，從而略去二階和更高階小量。而且，認(rèn)為波浪與船體之間的相互作用已經(jīng)持續(xù)了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，即入射波的初始擾動(dòng)和船體初始動(dòng)蕩的影響不予考慮，流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)已達(dá)穩(wěn)態(tài)。這樣，入射波為簡(jiǎn)諧，則船體的響應(yīng)也是簡(jiǎn)諧的，兩者只有相位差，因而，可以在頻域內(nèi)求穩(wěn)態(tài)解。

其運(yùn)動(dòng)方程（M是船體的總數(shù)量）和單體運(yùn)動(dòng)方程相似為：

3.2 水動(dòng)力相互作用

與在兩船之間人為增加一塊虛擬的蓋子不同，直接采用真實(shí)的等式，且用理想流體通過(guò)阻尼力引入能量耗散系數(shù)。內(nèi)部力：

在大多數(shù)情況下，阻尼系數(shù)μ為零，對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響。但是，在兩船之間的限制區(qū)域內(nèi)，阻尼項(xiàng)的作用就非常重要。

自由表面的邊界條件改寫(xiě)為：

式中：耗散系數(shù)ε=μ/ω，ω——圓頻率。耗散系數(shù)會(huì)影響船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其取值需要參考相關(guān)項(xiàng)目或根據(jù)船模實(shí)驗(yàn)最終確定。

3.3 短期預(yù)報(bào)

得到傳遞函數(shù)H(ω)后，結(jié)合短期預(yù)報(bào)波浪譜S?(ω)，得到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜

為了得到船舶在相應(yīng)海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。對(duì)于船體的運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估一般采用短期預(yù)報(bào)，典型的為3h。在此期間，假定船體的裝載、航速、浪向及海況條件基本不變。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的結(jié)論，短期預(yù)報(bào)的幅值服從瑞利（Rayleigh）分布：

從而得到該船的短期預(yù)報(bào)的各種統(tǒng)計(jì)，如均值和有義值等。其中，工程上經(jīng)常使用的有單幅有義值、單幅最大值等。

單幅有義值η1/3為

求得單幅最大值ηmax為

采用1/1000值代替單幅最大值，即

4 計(jì)算工況

4.1 裝載工況

穿梭LNG船和FLNG船裝載頻繁，其裝載組合更是復(fù)雜多變，實(shí)際情況中，考慮穿梭LNG船和FLNG的實(shí)際極限裝載情況組合——組合一和組合三，滿載和壓載之間的組合；再選取一個(gè)典型的中間工況。以此評(píng)估此兩船的運(yùn)動(dòng)性能（見(jiàn)表2）。

表2 典型裝載工況組合

4.2 海況

艏艉系泊纜、外輸臂等設(shè)備作業(yè)條件限制，通過(guò)設(shè)備條件反算可作業(yè)的海況條件。采用表3所示海況進(jìn)行評(píng)估。

表3 典型海況

5 計(jì)算網(wǎng)格

全船網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。其中兩船之間的網(wǎng)格為兩船之間自由面的限制區(qū)域，在此區(qū)域增加自由液面耗散系數(shù)。

6 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)計(jì)算得到船體運(yùn)動(dòng)性能的主要信息包括固有周期、傳遞函數(shù)和短期預(yù)報(bào)值。

6.1 固有周期

三種狀態(tài)下的固有周期見(jiàn)表3。從表3可知，單船與考慮兩船間相互影響相比，橫搖周期略有減小，升沉和縱搖的固有周期減小約1s左右。三個(gè)典型裝載工況間，滿載時(shí)橫搖和升沉的周期均最長(zhǎng)，縱搖三種裝載狀態(tài)相差不大。

圖2 網(wǎng)格劃分

表3 穿梭LNG固有周期 單位：s

6.2 傳遞函數(shù)

受到大船F(xiàn)LNG船對(duì)小船——穿梭LNG船遮蔽效應(yīng)的影響（見(jiàn)圖3），以組合一為例（此時(shí)穿梭LNG船壓載，F(xiàn)LNG船滿載）。對(duì)于小船——穿梭LNG船位于遮蔽水域時(shí)（見(jiàn)圖4），除橫搖、縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值略小以外，其他方向運(yùn)動(dòng)幅值普遍偏大。而相比之下，旁靠對(duì)于大船——FLNG船的影響很小，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)在船體兩舷基本對(duì)稱（見(jiàn)圖5）。

運(yùn)動(dòng)在波浪頻率小于1.0(°)/s，即波浪周期大于6.263s時(shí)，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，波浪頻率大于1.0(°)/s后，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)很小。在波浪頻率為1.0(°)/s左右，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)有一個(gè)波峰。

縱蕩最大幅值，出現(xiàn)在迎浪0°和隨浪180°附近；橫蕩和橫搖最大幅值出現(xiàn)在橫浪90°和270°附近；升沉最大幅值出現(xiàn)在無(wú)遮蔽區(qū)域橫浪90°附近；縱搖最大幅值出現(xiàn)在無(wú)遮蔽區(qū)域60°和120°附近；艏搖最大幅值出現(xiàn)在45°、135°、225°和315°附近。

圖3 波浪遮蔽效應(yīng)

6.3 短期預(yù)報(bào)

根據(jù)傳遞函數(shù)，通過(guò)短期預(yù)報(bào)得到該船在指定海況下的6自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（見(jiàn)表4）。在波高1.5m情況下，穿梭LNG船的運(yùn)動(dòng)幅值很小，橫搖單幅最大值＜1°。

受遮蔽效應(yīng)的影響，無(wú)遮蔽水域運(yùn)動(dòng)幅值基本都大于遮蔽水域的運(yùn)動(dòng)幅值。另外，不受兩船間相互效應(yīng)的影響，其短期預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)幅值介于兩船旁靠情況下無(wú)遮蔽水域和遮蔽水域的運(yùn)動(dòng)幅值之間（見(jiàn)表5）。

圖4 穿梭LNG船傳遞函數(shù)

圖5 FLNG船傳遞函數(shù)

表4 穿梭LNG船短期預(yù)報(bào)響應(yīng)結(jié)果

遮蔽水域和無(wú)遮蔽水域運(yùn)動(dòng)幅值相差較大，因此，實(shí)際靠泊建議小船從大船的遮蔽水域靠泊。這樣，升沉可以減小為前者的30%，縱搖、艏搖減小為前者的40%，縱蕩、橫蕩減小為前者的70%，而橫搖變化不是很明顯。

對(duì)比穿梭LNG船的壓載、裝載60%和滿載之間的運(yùn)動(dòng)幅值。運(yùn)動(dòng)幅值大部分處于一個(gè)量級(jí)，但橫搖幅值相差較大，壓載約為滿載1.5倍，裝載60%約為壓載的2倍、滿載的3～4倍。

表5 穿梭LNG船短期預(yù)報(bào) 單位：m

兩船綁扎、裝卸，需要考慮兩船之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由表5可知，受遮蔽效應(yīng)的影響，遮蔽水域與無(wú)遮蔽水域相比，兩船間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值，其縱向X和橫向Y的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值減小不大，約為前者的90%左右；但垂向Z的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值降幅很大，約為前者的30%左右。因此，同樣建議實(shí)際靠泊時(shí)小船從大船的遮蔽水域進(jìn)行。

7 結(jié) 語(yǔ)

采用三維線性零航速頻域理論結(jié)合引入兩船間自由液面能量耗散系數(shù)的方法對(duì)穿梭 LNG船旁靠FLNG船的情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)論和建議如下：

1) 兩船旁靠情況下，小船的固有周期會(huì)略有減小，但影響不大；

2) 兩船旁靠，對(duì)大船的運(yùn)動(dòng)影響小，對(duì)小船的運(yùn)動(dòng)影響大。在波浪頻率1.0(°)/s附近會(huì)出現(xiàn)峰值；

3) 將兩船旁靠和僅小船單船的運(yùn)動(dòng)情況做比較，單船的運(yùn)動(dòng)幅值介于兩船旁靠時(shí)無(wú)遮蔽和遮蔽水域之間的運(yùn)動(dòng)幅值；

4) 受大船遮蔽效應(yīng)影響，小船在遮蔽水域運(yùn)動(dòng)幅值大部分小于無(wú)遮蔽水域的運(yùn)動(dòng)幅值。升沉減小為前者的30%，縱搖、首搖減小為前者的40%，縱蕩、橫蕩減小為前者的70%，而橫搖變化不是很明顯；

5) 在波高1.5m時(shí)，穿梭LNG船的運(yùn)動(dòng)幅值很小，橫搖單幅最大值＜1°；

6) 兩船之間的自由液面耗散系數(shù)對(duì)船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響很大，其取值需要參考相關(guān)項(xiàng)目或根據(jù)船模實(shí)驗(yàn)最終確定。

[1] WANG Jianfang, Li Jide,CAI Xin-gong. Coupled Motions of Two Ships in Waves on 3D Method[J],船舶力學(xué)，2003（6），15-25.

[2] Xiaobo CHEN. Hydrodynamics in Offshore and Naval Applications[J], 6th International Conference on HydroDynamics. The University of Western Australia, Perth (Australia). 2004（11）24-26.

[3] 匡曉峰，等. 兩船在波浪中靠幫模型運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)預(yù)報(bào)[J]，中國(guó)造船，2007（Sup 1）.

[4] 羅 偉，等. 碼頭雙船系泊模型試驗(yàn)研究[J], 船舶工程，2007 (6)： 1-4.

[5] 張海彬，等. 水動(dòng)力分析在海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2008 (1)： 1-5.