考慮液艙內(nèi)部水動(dòng)力的FPSO波浪載荷研究

徐 賀 王 璞 楊 玥

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

引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)FPSO）是集油氣處理、發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲(chǔ)存和外輸?shù)茸鳂I(yè)功能和人員居住功能于一體的綜合性海洋工程結(jié)構(gòu)物［1］。與常規(guī)運(yùn)輸船舶不同的是：在FPSO作業(yè)過(guò)程中，各液艙常常處于部分裝載狀態(tài)，船體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液艙自由面存在明顯的水動(dòng)力效應(yīng)。通常，F(xiàn)PSO波浪載荷計(jì)算都是將液艙內(nèi)的液體簡(jiǎn)化為固體并以均布質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行計(jì)算的，忽略了液艙自由面運(yùn)動(dòng)的影響。

本文基于15萬(wàn)噸FPSO，采用DNV SESAM系統(tǒng)水動(dòng)力分析模塊，分別使用將液貨看作固體的準(zhǔn)靜態(tài)方法和考慮液貨水動(dòng)力效應(yīng)的全動(dòng)態(tài)方法，通過(guò)對(duì)原始結(jié)構(gòu)形式下兩種典型裝載工況及三種不同長(zhǎng)度中部半載液艙FPSO模型的波浪載荷及船體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，對(duì)比全動(dòng)態(tài)理論及準(zhǔn)靜態(tài)理論的差異，分析液面水動(dòng)力效應(yīng)對(duì)船體截面載荷及船體運(yùn)動(dòng)的影響。

1 理論簡(jiǎn)介

相對(duì)于將液艙內(nèi)液貨看作固體進(jìn)行載荷及運(yùn)動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)靜態(tài)方法，全動(dòng)態(tài)理論除考慮船體外部流體域的勢(shì)流問(wèn)題外還可同時(shí)分別計(jì)算船體各個(gè)液艙內(nèi)部的勢(shì)流問(wèn)題，并考慮了艙內(nèi)液面運(yùn)動(dòng)的輻射問(wèn)題及其對(duì)船體運(yùn)動(dòng)回復(fù)力的貢獻(xiàn)。因?yàn)闆](méi)有波浪能輻射到液艙外部，內(nèi)部流體沒(méi)有勢(shì)能的衰減［2］。

對(duì)于理想流體勢(shì)流問(wèn)題，無(wú)限域自由液面邊界條件為：

對(duì)于液艙內(nèi)部流體域，由于不存在遠(yuǎn)處來(lái)流的影響，所以液艙內(nèi)部不需要計(jì)算繞射問(wèn)題，只需解決邊界值問(wèn)題以及輻射問(wèn)題。由于液艙內(nèi)部液面存在垂向的運(yùn)動(dòng)速度，增加速度勢(shì)：

流體內(nèi)部各點(diǎn)壓力為：

因此，整個(gè)系統(tǒng)的求解方程可以表示為：

2 工況選取和模型設(shè)計(jì)

根據(jù)裝載手冊(cè)選取以下兩種典型的裝載工況：

（1）全部液貨艙50%裝載；

（2）大液艙95%裝載，中部小液艙50%裝載。見(jiàn)圖1。將兩種載況分別定義為工況1和工況2。

圖1 典型裝載工況示意圖

該FPSO垂線間長(zhǎng)246.38 m、型寬48.9 m，中部半載液艙的設(shè)置見(jiàn)圖2。

圖2 不同長(zhǎng)度中部液艙三種液艙分布模型

在計(jì)算每一種裝載工況的載荷及運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證重力與浮力的平衡，即：船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量+各液艙液體質(zhì)量總和=排水量。

用于短期預(yù)報(bào)的波浪譜應(yīng)選擇JONSWAP雙參數(shù)譜［3］。由于斜浪對(duì)船體縱向和橫向運(yùn)動(dòng)影響都較明顯，因此浪向角取為135°。

3 結(jié)果及分析

3.1 兩種典型工況計(jì)算結(jié)果

使用兩種方法對(duì)裝載工況1的波浪載荷及船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。最大載荷見(jiàn)表1，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖3。

表1 兩種方法對(duì)應(yīng)的主要控制載荷最大值

圖3 工況1運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)（依次為橫搖、首搖、縱搖）

表1的載荷計(jì)算結(jié)果顯示：全動(dòng)態(tài)方法對(duì)應(yīng)的載荷最大值小于準(zhǔn)靜態(tài)方法的，說(shuō)明采用準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)FPSO進(jìn)行水動(dòng)力載荷分析是工程可靠的，垂向彎矩和垂向剪力最大值差異較小，水平彎矩最大值差異相對(duì)較大，說(shuō)明將液艙內(nèi)液體看作固體進(jìn)行載荷預(yù)報(bào)，對(duì)水平彎矩載荷影響較明顯。

圖3中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步表明，兩種分析方法結(jié)果的差異主要表現(xiàn)在橫向運(yùn)動(dòng)有關(guān)參數(shù)上，造成兩種分析方法在水平彎矩結(jié)果上的差異更大；而FPSO的垂向運(yùn)動(dòng)（如垂蕩和縱搖）參數(shù)方面，兩種分析方法的差異可以忽略，因而垂向彎矩和垂向剪力等設(shè)計(jì)載荷基本沒(méi)有變化。

使用準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)兩種裝載工況進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，最大載荷見(jiàn)表2。

表2 兩種裝載工況對(duì)應(yīng)的主要控制載荷最大值

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，滿載工況對(duì)應(yīng)的載荷最大值大于半載工況，說(shuō)明在對(duì)FPSO進(jìn)行波浪載荷計(jì)算時(shí)，選取滿載工況是安全的。

3.2 三種長(zhǎng)度半載液艙模型計(jì)算結(jié)果

為研究計(jì)及自由面水動(dòng)力效應(yīng)下半載液艙長(zhǎng)度對(duì)船體運(yùn)動(dòng)及載荷的影響，計(jì)算時(shí)除半載液艙外，其余液艙裝載率取100%。采用準(zhǔn)靜態(tài)方法和全動(dòng)態(tài)方法，分析比較運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)以及短期預(yù)報(bào)的波浪載荷。

由下頁(yè)圖4可知，應(yīng)用全動(dòng)態(tài)方法，隨著中部半載液艙長(zhǎng)度增加，橫搖運(yùn)動(dòng)幅值逐漸增大，準(zhǔn)靜態(tài)理論橫搖幅值基本不變，說(shuō)明中部液艙自由面面積越大，對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響越大；而半載液艙長(zhǎng)度變化對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)的影響基本可以忽略。

由下頁(yè)圖5可知，對(duì)于半載液艙中面載荷響應(yīng)，隨著半載液艙長(zhǎng)度的增加，全動(dòng)態(tài)方法與準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)差別越來(lái)越明顯，尤其是垂向彎矩與垂向剪力。模型3的計(jì)算結(jié)果顯示，在周期10 s附近載荷響應(yīng)產(chǎn)生了明顯的波動(dòng)。說(shuō)明當(dāng)自由面大小增加到一定程度后，在一定波浪頻率范圍內(nèi)，自由面水動(dòng)力效應(yīng)對(duì)截面波浪載荷有較大的影響。

圖4 三種模型運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)

圖5 半載液艙中面載荷傳遞函數(shù)

圖6 波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果

由下頁(yè)圖6可見(jiàn)，使用全動(dòng)態(tài)方法和準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)垂向彎矩及剪力預(yù)報(bào)結(jié)果差別不大。這是由于預(yù)報(bào)過(guò)程中選擇的短期海況波浪能量集中在12 s附近，而該FPSO的極限環(huán)境條件波浪譜峰周期約為14 s，兩者均遠(yuǎn)離圖5中動(dòng)態(tài)效應(yīng)影響最顯著的周期范圍（約10 s），即波浪能量集中的周期范圍及船體運(yùn)動(dòng)固有周期與對(duì)局部自由面動(dòng)態(tài)效應(yīng)影響明顯的波浪周期范圍有較大的距離。同時(shí)，圖6也顯示，基于本文計(jì)算模型，隨著中部半載液艙長(zhǎng)度的增加，兩種方法下的船體橫向彎矩差異越來(lái)越小。

4 結(jié) 論

由上述分析可知，液艙部分裝載狀態(tài)下，考慮液艙內(nèi)部水動(dòng)力時(shí)，雖然船體截面最大波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果較準(zhǔn)靜態(tài)方法發(fā)生少量變化，但準(zhǔn)靜態(tài)分析方法仍能保證結(jié)果偏于保守，一般能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需要；但當(dāng)FPSO中部半載液艙長(zhǎng)度逐漸加大時(shí)，液艙內(nèi)部水動(dòng)力對(duì)FPSO截面波浪載荷及船體的運(yùn)動(dòng)影響也越來(lái)越大。在FPSO載荷及運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，要根據(jù)船體液艙相對(duì)尺度，結(jié)合設(shè)計(jì)環(huán)境條件的波浪周期，適當(dāng)考慮液艙內(nèi)部水動(dòng)力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

［1］ 王璞 .FPSO 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展［J］.船舶，2014（2）：1-8.

［2］ Ludvigsen Arild，Pan Zhi-yuan，Gou Peng，et al.Adapting a linear potential theory solver for the outer hull to account for fluid dynamics in tanks［A］.Proceedings of the 32nd International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering［C］.Nantes ，F(xiàn)rance，2013 ：1-9.

［3］ 趙耕賢，胡志強(qiáng)，顧永寧.FPSO的波浪載荷預(yù)報(bào)［A］.FPSO設(shè)計(jì)文集［C］.北京：中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，2013.