，，

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 武漢430074；2.哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)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?jī)煞N系泊方式。串靠系泊技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是可靠性不如旁靠，旁靠系泊技術(shù)相對(duì)復(fù)雜繁瑣，具體實(shí)施相對(duì)困難，技術(shù)難點(diǎn)多。由于兩船之間的距離很近，水動(dòng)力相互作用明顯，影響兩船在波浪中的運(yùn)動(dòng)，這不僅與兩船之間的距離有關(guān)，還與船的尺度相關(guān)[1-4]。

對(duì)于距離很近的兩船之間的水動(dòng)力相互影響的研究十分重要，本文針對(duì)旁靠系泊的穿梭油船與FPSO的水動(dòng)力相互作用進(jìn)行分析，為后續(xù)的旁靠系泊研究提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 原理

采用Century Dynamics公司的水動(dòng)力及系泊分析軟件AQWA中的AQWA-LINE[5]模塊對(duì)油船進(jìn)行水動(dòng)力輻射/繞射計(jì)算分析，考慮完全的水動(dòng)力相互作用影響。在進(jìn)行水動(dòng)力相互影響分析時(shí)，可能會(huì)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(jì)算不考慮兩船之間的相互影響，為了研究?jī)纱g距離對(duì)水動(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)的RAO及平均二階波浪漂移力，并將計(jì)算結(jié)果與不考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1.1 有限元模型建立

FPSO和穿梭油船的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，船體模型見(jiàn)圖1，模型中單元類(lèi)型和數(shù)量見(jiàn)表2。

表1 FPSO和穿梭油船主尺度對(duì)比

圖1 FPSO與穿梭油船總視圖(相對(duì)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(guò)AQWA-LINE計(jì)算油船在規(guī)則波作用下，不同浪向和不同頻率時(shí)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(yīng)RAO。

旁靠系泊時(shí)，考慮到安裝的護(hù)舷材的尺寸范圍，定義FPSO與穿梭油船的相對(duì)距離為D，并考慮D在3.0～4.5 m的范圍內(nèi)變化時(shí)的影響。定義浪的方向?yàn)橛?80°、橫浪90°,水動(dòng)力計(jì)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(guò)數(shù)值求解以下運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算油船在規(guī)則波作用下的響應(yīng)，通常定義為幅值響應(yīng)算子RAO。

(1)

式中:Ms——結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；

Ma——水動(dòng)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(yīng)算子 (RAOs)；

ω——入射規(guī)則波頻率。

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

(2)

(3)

式中:ζr——相對(duì)波高；

S0——結(jié)構(gòu)濕表面；

X——結(jié)構(gòu)表面的運(yùn)動(dòng)；

Ms——結(jié)構(gòu)質(zhì)量；

R——結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣；

2 計(jì)算結(jié)果分析

由于FPSO較穿梭油船尺寸大，故有必要研究FPSO對(duì)穿梭油船的屏蔽效應(yīng)。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(jì)算時(shí)共選用4個(gè)不同的相對(duì)距離做研究分析，計(jì)算穿梭油船在不同浪向角(α=90°,135°,180°)和不同頻率下的響應(yīng)，并與不考慮兩船水動(dòng)力相互作用時(shí)的情況進(jìn)行比較分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(dòng)力相互作用時(shí)的計(jì)算結(jié)果(兩船相對(duì)距離為4.5 m)，AL-3-0、AL-3-5、AL-4-0、AL-4-5為兩船相對(duì)距離D分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

2.1 附加質(zhì)量和輻射阻尼

計(jì)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(gè)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(dòng)力相互影響時(shí)的情況進(jìn)行了比較分析，此時(shí)D=4.5 m。分析表明，波頻在0.80 rad/s附近，考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)，附加質(zhì)量和輻射阻尼都會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，這可能是由于兩船之間的水動(dòng)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(dòng)力相互作用與否并沒(méi)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(dòng)力相互影響的對(duì)比圖，可以看出在頻率接近0.8 rad/s時(shí)，會(huì)有明顯的峰值出現(xiàn)。

2.2 一階波浪力

圖3、4、5是相對(duì)距離D不同時(shí)，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(dòng)力相互影響時(shí)的情況進(jìn)行比較，考慮三個(gè)浪向角α=90°、135°、180°。

圖3 α=90°，相對(duì)距離不同時(shí)的波浪繞射力比較

圖4 α=135°，相對(duì)距離不同時(shí)的波浪繞射力比較

圖5 α=180°，相對(duì)距離不同時(shí)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(dòng)力相互作用的影響，這也是旁靠系泊時(shí)主要考慮的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，水動(dòng)力相互作用對(duì)繞射力的影響在低頻段要強(qiáng)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(dòng)力相互影響時(shí)在縱蕩方向上的繞射力都要大于不考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)的值。但是對(duì)于橫蕩方向上的繞射力，當(dāng)α=90°時(shí)，不考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)的繞射力要大，當(dāng)α=135°時(shí)，兩者接近，當(dāng)α=180°時(shí)，考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)的繞射力值要大。

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

盡管水動(dòng)力相互作用對(duì)波浪繞射力影響很大，但是波浪入射力不受水動(dòng)力相互作用及兩船相對(duì)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(dāng)α=180°，不考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)，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(dāng)考慮水動(dòng)力相互影響時(shí)，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(yīng)算子RAO

以上分析表明，波浪繞射力受水動(dòng)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(shí)，波浪入射力和靜水力受水動(dòng)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(yīng)的RAO受水動(dòng)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(yīng)算子隨波頻變化的比較。從圖7可以看出，幅值響應(yīng)算子受水動(dòng)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(yīng)算子的值逐漸減小，當(dāng)α=180°時(shí)，幅值響應(yīng)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(dòng)力相互作用的影響，這也是旁靠系泊時(shí)主要考慮的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。穿梭油船在不同浪向角下，相對(duì)距離D不同時(shí)，平均二階波浪漂移力隨波頻的變化見(jiàn)圖8～10。對(duì)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(dòng)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(dòng)力的相互影響并沒(méi)有太大的差別。

圖8 α=90°，相對(duì)距離不同時(shí)的平均二階波浪漂移力比較

圖9 α=135°，相對(duì)距離不同時(shí)的平均二階波浪漂移力比較

圖10 α=180°，相對(duì)距離不同時(shí)的平均二階波浪漂移力比較

3 結(jié)論

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

2)一階波浪力中的繞射力受水動(dòng)力相互作用影響顯著。

3)整體而言幅值響應(yīng)算子RAO受水動(dòng)力相互作用影響很小，對(duì)于旁靠系泊FPSO與穿梭油船之間的水動(dòng)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(dòng)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(duì)距離的小范圍變化，水動(dòng)力相互作用的影響并沒(méi)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(méi)有討論淺水效應(yīng)的問(wèn)題，對(duì)于該問(wèn)題的研究有待于今后進(jìn)一步開(kāi)展。

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