乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠水動力耦合分析

吳述慶，郭　健，齊江輝

乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠水動力耦合分析

吳述慶，郭健，齊江輝

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064）

乏燃料運輸船與浮動核電廠組成的旁靠浮式系統(tǒng)，其水動力響應(yīng)是一個復(fù)雜的工程問題。本文基于三維勢流理論對乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠時，浮動核電廠的運動響應(yīng)預(yù)報，并針對特定頻率下幅值響應(yīng)出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象，采用在兩船水域之間添加加蓋阻尼的方法有效抑制了間隙水體共振引起船體運動的偽共振現(xiàn)象。并研究分析不同浪向和船體間距時兩船之間的水動力耦合效應(yīng)，對乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠的方案設(shè)計具有工程指導(dǎo)意義。

浮動核電廠；耦合；旁靠；運動預(yù)報

海上浮動核電廠是一座小型海上浮式核能發(fā)電平臺，通過軟剛臂單點系泊長期駐泊在定點海域，為周邊海上石油平臺提供淡水和電能。目前我國暫無專門用于海上浮動堆的陸上換料廠址或保障基地，為了實現(xiàn)對用戶持續(xù)供電能力不喪失，海上浮動核電廠設(shè)計具備海上自主換料能力，以及反應(yīng)堆在海上運行期間堆外燃料組件的安全貯存。海上浮動核電廠運行期間產(chǎn)生的乏燃料暫存在浮動核電廠的乏燃料水池中。但是長期貯存在浮動電站內(nèi)部既不安全也占用有限的空間，故采用乏燃料運輸船將卸出的乏燃料運走，同時從岸上運輸新燃料裝配到浮動核電廠上。

遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船一般有串靠和旁靠兩種方式。串靠技術(shù)簡單，但可靠性不如旁靠。采用旁靠方式卸載貨物，通過系泊纜與橡膠護舷連在一起，將供應(yīng)船上的貨物、設(shè)備、淡水、燃油等卸載至浮式結(jié)構(gòu)物上，是一種應(yīng)用廣泛的作業(yè)方式。遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船的旁靠作業(yè)屬于多浮體干擾問題。與此類似，浮動核電廠核燃料的更替涉及到兩船構(gòu)成的多浮體系統(tǒng)。當(dāng)兩個浮體采用旁靠系泊方式進行物資補給和燃料更替時，兩船之間的間距較小，從而使兩個浮體周圍的水動力發(fā)生相互作用，引發(fā)復(fù)雜的水動力耦合效應(yīng)，兩船之間的相對運動加劇，為物資或燃料的調(diào)運、卸載帶來較大的安全隱患。

國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者在浮體間的水動力影響、旁靠作業(yè)系纜方式等方面開展了相關(guān)研究。Kim[1]采用時域方法分析多浮體之間的水動力干擾效應(yīng)。Koo等[2]基于時域耦合方法，研究了附加質(zhì)量、阻尼等位于對角線上的影響系數(shù)對兩浮體相對運動的影響。Hong等[3]采用高階邊界元與模型試驗相結(jié)合的方法分析了LNG、FPSO、LNGC以及穿梭油輪旁靠作業(yè)過程中的運動和二階慢漂載荷特征。張普杰等[4]對LNG船與LNG-FSRU并靠作業(yè)時，多浮體之間的相對運動、旁靠系纜張力、護舷反力等進行了數(shù)值研究；徐喬威等[5]對LNG船旁靠FLNG卸載作業(yè)時的水動力性能開展了物理模型試驗。各類研究表明，多浮體之間的相互水動力系數(shù)與單船存在一定區(qū)別，水動力相互作用對船體運動影響較大。

本文以浮動核電廠為研究對象，選取海上浮動核電廠與乏燃料運輸船組成的旁靠浮式系統(tǒng)進行三維勢流的頻域水動力求解，得到浮動核電廠的運動響應(yīng)，并對比不考慮水動力相互作用的情況與兩船耦合效應(yīng)下的船舶的運動響應(yīng)，分析水動力耦合作用對浮動核電廠運動響應(yīng)的影響規(guī)律。本文在模擬浮動核電廠與乏燃料運輸船耦合運動過程中，并非單純將兩個船舶計算模型置于一個流場中，計算乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠時后者的運動響應(yīng)。而是考慮到采用勢流理論方法會忽略流體的黏性作用，故在兩浮體間隙水域引入增加加蓋阻尼施加在兩浮體模型間隙流場表面予以進行修正，以消除不規(guī)則頻率，從而擬合得出使貼合實際工程的數(shù)值計算結(jié)果更貼合實際情況。該數(shù)值計算方法研究乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠的水動力耦合問題，對浮動核電廠和乏燃料運輸船運行的安全性和可靠性提供一定的理論支撐，具有實際的工程意義。

1　基本理論

船舶運動坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系，將平面定義在平均自由面上（無波情況下的自由液面），軸指向船首，軸通過重心且垂直于平面向上，其與平均自由面的交點為坐標(biāo)原點。假設(shè)船舶以速度航行，其速度勢由定常速度勢、入射勢、輻射勢和繞射勢組成，即

其中：

對于輻射勢，滿足定解問題：

在流體域內(nèi)，

——水深。

繞射勢滿足定解問題：

定常勢和入射勢可以精確表達，解得輻射和繞射勢后可分別求得附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)以及波浪力。

求解船舶運動方程，得到船舶的運動幅值：

其中：

2　船型參數(shù)與網(wǎng)格劃分

海上浮動核電廠和乏燃料運輸船的主尺度與船型參數(shù)如表1所示。

表1　船模型主要參數(shù)

兩船旁靠，乏燃料運輸船左邊旁靠浮動核電廠，建模后，網(wǎng)格最大尺寸按船長的百分之一取。對于船艏艉部形狀有突變的地方，適當(dāng)進行網(wǎng)格加密。劃分網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

圖1　網(wǎng)格劃分圖

3　計算對比分析

船旁靠時，間隙水域的黏性問題也是影響運動預(yù)報準(zhǔn)確性的較大因素。三維頻域勢流理論計算兩船靠近的水動力響應(yīng)問題時，兩船間隙內(nèi)液面升高及在某些頻率下水質(zhì)點速度會比實際值增大數(shù)倍。這是由于經(jīng)典勢流理論忽略了黏性的影響使得在特定頻率下水體共振的能量無法耗散而引起的。

對于黏性的影響，眾多學(xué)者提出了相關(guān)的修正方法。Huijsmans[7]提出了剛性蓋理論，但是其抑制了波面運動并導(dǎo)致剛性蓋首尾對流場產(chǎn)生明顯的擾動。而Newman[8]提出添加柔性蓋的方法允許波面運動，但依然對流場有擾動。陳小波博士[9]提出了加蓋阻尼的方法，將攜帶阻尼因子ζ的阻尼力添加在兩船的間隙水面上，達到耗散流場動能的目的，從而減小波面的諧振。

3.1　加蓋阻尼修正

由于浮動核電廠采用單點系泊裝置駐泊在作業(yè)海域，單點系泊具有風(fēng)向標(biāo)作用，故浮動核電廠一般處于迎浪狀態(tài)。所以驗證加蓋阻尼修正方法的可行性時，主要考慮在180°迎浪工況下采用阻尼修正后的浮動核電廠的運動響應(yīng)與不修正情況下其運動響應(yīng)的對比。

通過水動力性能計算軟件AQWA實現(xiàn)浮動核電廠的運動響應(yīng)預(yù)報。浪向：180°迎浪；航速n=0 kn，波浪頻率范圍：0～2 rad/s。兩船間距：4 m。

船舶在波浪中運動，一般考慮其升沉、縱搖、橫搖運動，其分別對應(yīng)的運動響應(yīng)對比圖如圖2～圖4所示。

圖2　浮動核電廠升沉對比圖

圖3　浮動核電廠縱搖對比圖

圖4　浮動核電廠橫搖對比圖

通過對比分析可知，在風(fēng)向標(biāo)作用下，乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠，浮動電站的升沉和縱搖響應(yīng)在波頻為0.8 rad/s左右的峰值附近，加蓋阻尼修正對降低共振峰值起到了一定的抑制作用，但是整體變化并不明顯。說明迎浪工況下間隙水域的黏性作用對升沉和縱搖的影響并不大。而加蓋阻尼修正對橫搖運動的影響就比較明顯。在波頻1.3 rad/s左右，峰值降低約53.3%。而修正后峰值點的頻率出現(xiàn)錯峰現(xiàn)象。這一點Bunnik[10]指出是由于船體間隙液面加剛性蓋消除不規(guī)則頻率導(dǎo)致的，可通過細(xì)化網(wǎng)格來消除。

3.2　水動力耦合效應(yīng)分析

本節(jié)主要考慮水動力耦合效應(yīng)對浮動核電廠的影響。由于浮動核電廠在實際運行過程中采用單點系泊裝置駐泊在作業(yè)海域，計算航速取為0 kn。單點系泊具有風(fēng)向標(biāo)作用，使得浮動核電廠一般處于迎浪和斜浪狀態(tài)。模擬乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠時，取兩船間距4 m，計算在135°斜浪和180°迎浪狀態(tài)下，頻率范圍為0～2 rad/s的規(guī)則波中浮動核電廠的運動響應(yīng)，得到其運動幅值響應(yīng)算子RAO。不考慮水動力耦合效應(yīng)時，數(shù)值模型單獨只建浮動核電廠這一單浮體系統(tǒng)，模擬在相同工況下浮動核電廠的運動響應(yīng)，并與考慮水動力耦合效應(yīng)的浮動核電廠運動響應(yīng)結(jié)果進行對比。其計算結(jié)果如圖5～圖10所示。

圖5　135°斜浪中橫搖運動耦合效應(yīng)對比圖

圖6　180°迎浪中橫搖運動耦合效應(yīng)對比圖

圖7　135°斜浪中升沉運動耦合效應(yīng)對比圖

圖8　180°迎浪中升沉運動耦合效應(yīng)對比圖

圖9　135°斜浪中縱搖運動耦合效應(yīng)對比圖

根據(jù)在迎浪和斜浪狀態(tài)下，考慮水動力耦合效應(yīng)與否的兩種情況，浮動核電廠的運動響應(yīng)對比分析可知，水動力耦合效應(yīng)對于浮動核電廠的升沉和縱搖運動響應(yīng)影響并不明顯。而對于其橫搖，在斜浪中，水動力耦合作用在波頻為0.48 rad/s左右的響應(yīng)峰值點影響最為明顯。乏燃料運輸船旁靠時，會造成浮動核電廠在共振峰值顯著增大，運動幅值提高約58.4%。在迎浪中，水動力耦合效應(yīng)更為顯著，浮動核電廠橫搖響應(yīng)更大，與不考慮水動力相互作用相比，其橫搖運動響應(yīng)相差達到兩個數(shù)量級。

圖10　180°迎浪中縱搖運動耦合效應(yīng)對比圖

可見，乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠時，水動力的相互作用對于浮動核電廠運動的影響主要體現(xiàn)在橫搖方面，升沉和縱搖則受影響較小。

3.3　旁靠間距對水動力作用的影響

為了研究旁靠間距對水動力相互作用的影響，分別計算在2 m、4 m、6 m、8 m、10 m這5個不同兩船間距下，模擬在135°斜浪和180°迎浪中，浮動核電廠在不同波浪頻率下的運動響應(yīng)。對比結(jié)果如圖11～圖16所示。

圖11　135°斜浪不同間距橫搖運動對比圖

圖12　180°迎浪不同間距橫搖運動對比圖

圖13　135°斜浪不同間距升沉運動對比圖

圖14　180°迎浪不同間距升沉運動對比圖

圖15　135°斜浪不同間距縱搖運動對比圖

圖16　180°迎浪不同間距縱搖運動對比圖

根據(jù)對比圖可知，兩船間距變化時，水動力作用對船舶運動影響最大體現(xiàn)在橫搖方面，尤其是在迎浪狀態(tài)。

在波浪低頻段，隨著兩船間距的變化，水動力相互作用對浮動核電廠的運動響應(yīng)的影響并不大。而在中低頻內(nèi)（0.4～0.5 rad/s），船舶的運動響應(yīng)會出現(xiàn)峰值，此時，升沉和縱搖變化不大，而橫搖則是在間距為4 m時，水動力相互作用最顯著。在中間頻率段1.1 rad/s左右，船舶運動會出現(xiàn)第二次峰值，此時，兩船間距為8 m時的水動力相互作用效果最明顯。分析可能是因為乏燃料運輸船與浮動核電廠組成一個相互影響的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在特定的間距時，會在浮動核電廠固有頻率處形成共振，造成橫搖運動曲線出現(xiàn)峰值。

因此，兩船旁靠間距的變化對水動力作用大小也有影響。在低頻段的影響可忽略，而在中低頻和中頻段，船舶在某特定間距下，水動力的作用效果會尤為明顯。

4　結(jié)論

通過以上的計算分析，研究了兩船旁靠時間隙水體黏性作用引起的共振問題，分析了水動力耦合效應(yīng)以及船體間距變化對耦合效應(yīng)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）兩船間隙水體黏性引起的船體運動的異常共振現(xiàn)象主要體現(xiàn)在船舶的橫搖運動方面，對升沉和縱搖作用并不明顯。而采用加蓋阻尼的方法進行修正，可以有效抑制該現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）水動力耦合效應(yīng)影響最大的是橫搖，尤其是浮動核電廠處于迎浪狀態(tài)，而升沉和縱搖影響較小。

（3）兩船旁靠間距變化，水動力作用大小體現(xiàn)在迎浪下船舶的橫搖運動方面。并且在波浪中低頻段和中頻段，船舶的特定間距下，水動力相互作用會有顯著影響。

因此，研究乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠的水動力耦合問題時，要充分考慮兩浮體間水域的黏性影響。而本文采用的阻尼修正方法對模擬實際工程情況具有良好的效果。但阻尼系數(shù)的確定依賴大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，后續(xù)還須通過實驗進一步明確阻尼系數(shù)如何選取。此外，通過研究分析可知，在實際工程運用中，乏燃料運輸船旁靠浮動核電廠時，尤為要注意船舶的橫搖狀態(tài)，以及選擇合適的旁靠間距，使得兩船的運動響應(yīng)達到最佳狀態(tài)。

致謝

感謝武漢第二船舶設(shè)計研究所，所里良好的科研氛圍以及完善的硬件設(shè)施條件為論文的順利完成提供了必要的保障。

［1］ KIM Y B. Dynamic analysis of multiple-body floating platforms couple with mooring lines and risers［D］．PHD. Dissertation. College Station：Civil Engineering Department，Texas A&M University，2003.

［2］ KOO B J，KIM M H. Hydrodynamic interactions and relative motions of two floating platforms with mooring lines in side-by-side offloading operation［J］．Applied Ocean Research，2005，27（6）：292-310.

［3］ HONG S Y，KIM J H，CHO S K，et al. Numerical and experimental study on hydrodynamic interaction of side-by-side moored multiple vessels［J］．Ocean Engineering，2005（32）：783-801.

［4］ 張甫杰，董國祥，高家鏞.LNG并靠外輸作業(yè)時水動力性能數(shù)值研究［J］．上海船舶運輸科學(xué)研究所學(xué)報，2015，38（1）：20-26.

［5］ 徐喬威，胡志強，謝彬，等. 運輸船旁靠FLNG卸載作業(yè)時的水動力性能試驗［J］．中國海上油氣，2015，27（2）：112-126.

［6］ 劉元丹. 基于AQWA的旁靠油輪水動力相互作用研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2012，5：13-17.

［7］ Huijsmans R H M，Pinkster J A，de Wilde J J. Diffraction and radiation of waves around side-by-side moored vessels［C］．Proceedings of the 11th International Offshore and Polar Engineering Conference，Stavanger，Norway，200，406–413.

［8］ Newman J N. Application of generalized modes for the simulation of free surface patches in multi body hydrodynamics［C］．Proceedings of the 4th Annual WAMIT Consortium Report，Woods Hole，Massachusetts，USA，2003：33–69.

［9］ Chen X. Offshore hydrodynamics and applications［J］．The IES Journal Part A：Civil & Structural Engineering，2011，4（3）：124-142.

［10］ Bunnik T，Pauw W.H，Voogt，A.Hydrodynamic analysis for side-by-side offloading［C］．Proceedings of the 19th International Offshore and Polar Engineering Conference，Osaka，Japan，2009，648?653.

［11］付強，王宏偉，等. 旁靠系泊油船水動力相互作用分析［J］．船海工程，2012，8：16-20.

［12］駱陽，朱仁慶，等. FPSO與運輸船旁靠時液艙晃蕩與船舶運動耦合效應(yīng)分析［J］．江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，8：307-316.

［13］單鐵兵，潘方豪，等. 遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物與供應(yīng)船旁靠系泊特性研究［J］．海洋工程，2017，9：1-11.

Hydrodynamic Coupling Analysis of the Marine Nuclear Power Platform and the Spent Fuel Carrier in Side-by-side Case

WU Shuqing，GUO Jian，QI Jianghui

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan of Hubei Prov. 430064, China）

The hydrodynamic response of side-by-side mooring system between the spent fuel carrier and the marine nuclear power platform (MNPP) is a complex engineering problem. This paper predicted the motion responses of the marine nuclear power platform when the spent fuel carrier is in side-by-side operation based on the three-dimensional potential theory. The “false resonance” problem in the calculation process is solved by adding lid damping term. And then, the impact on hydrodynamic performance caused by the spacing of two ships is studied, which can be of help for the side-by-side mooring system engineering design.

Marine nuclear power platform; Coupling effects; Side-by-side; Prediction of motion response

TL48

A

0528-0918（2022）01-0220-07

2021-03-17

海上核燃料裝卸技術(shù)研究及關(guān)鍵設(shè)備研制（2017YFC0307806）

吳述慶（1987—），男，湖北武漢人，工程師，碩士，現(xiàn)從事核動力船舶總體設(shè)計項目資助方面研究