李 俊, 彭 濤, 張建宏, 盧文月

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

長期以來,海洋工程界主要采用長峰規(guī)則波浪和不規(guī)則波浪對(duì)海浪及其與海洋工程結(jié)構(gòu)物的相互作用進(jìn)行理論研究和模型試驗(yàn),長峰波在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、建造和安全運(yùn)營等方面發(fā)揮了重要作用.但是,實(shí)際海上的風(fēng)生波并非只沿某個(gè)方向傳播,波能不僅分布在不同頻率上,而且分布在不同方向上, 波峰線是三維的[1].長峰波浪不能真實(shí)再現(xiàn)結(jié)構(gòu)物所處的海洋環(huán)境條件,國內(nèi)外開展的一些模型試驗(yàn)表明, 結(jié)構(gòu)物在三維短峰波中的水動(dòng)力性能與在長峰波試驗(yàn)中的結(jié)果差異較大[2].

Cheng等[3]在水槽中利用長峰波和短峰波對(duì)固定式立柱開展了模型試驗(yàn),對(duì)不同方向分布角短峰波浪中立柱所受的波浪力和水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行了分析.試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同方向分布角對(duì)立柱所受波浪力有顯著影響.Kurian 等[4]對(duì)短峰波中的傳統(tǒng)型單柱式平臺(tái)(SPAR)和桁架型SPAR開展了模型試驗(yàn)研究,分析了平臺(tái)縱蕩、升沉和縱搖幅值響應(yīng)算子(RAO),并與長峰波試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.試驗(yàn)結(jié)果顯示,在短峰波中,桁架型SPAR平臺(tái)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均小于長峰波試驗(yàn)結(jié)果;傳統(tǒng)型SPAR縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與長峰波試驗(yàn)結(jié)果差異較小,低頻范圍內(nèi)縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)大于長峰波試驗(yàn)結(jié)果,高頻范圍內(nèi)縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)小于長峰波試驗(yàn)結(jié)果.Ji等[5-7]采用物理模型試驗(yàn)方法,系統(tǒng)地對(duì)短峰波浪作用下大尺度墩柱所受的波浪力荷載和波高進(jìn)行了研究.試驗(yàn)結(jié)果顯示,短峰波浪的分布參數(shù)對(duì)墩柱所受波浪力和波浪爬高有明顯影響,并且顯著不同于長峰波浪的結(jié)果.鄭文濤等[8]在耐波性水池中進(jìn)行了船舶在長峰不規(guī)則波和三維短峰波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型試驗(yàn), 對(duì)比分析了船舶在長峰波和三維波中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的差別.研究結(jié)果顯示,三維波的方向擴(kuò)散性是影響船舶在實(shí)際海況中運(yùn)動(dòng)的重要因素之一.

圓筒形浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)是集修井、生產(chǎn)、儲(chǔ)存和外輸功能于一體的新型海上油氣開發(fā)設(shè)施,具有功能集成度高、運(yùn)維方便、操作靈活和運(yùn)動(dòng)性能良好等諸多優(yōu)點(diǎn),在邊際油田開發(fā)中具有光明的應(yīng)用前景[9-11].本文采用不同方向分布參數(shù)的三維短峰波浪,對(duì)圓筒形FPSO的水動(dòng)力性能開展模型試驗(yàn)研究,對(duì)圓筒形FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與系泊系統(tǒng)受力進(jìn)行分析,并與長峰波浪中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.試驗(yàn)研究結(jié)果可為海洋工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)積累.

1 試驗(yàn)設(shè)置

在上海交通大學(xué)海洋深水池中進(jìn)行三維短峰波中圓筒形FPSO水動(dòng)力模型試驗(yàn).海洋深水池由1個(gè)水池主體和1個(gè)深井組成, 可以模擬風(fēng)、浪和流等各種海洋環(huán)境.水池主體有效工作的長、寬、深尺寸為50 m×40 m×10 m,水深可在0～10 m范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié).水池深井最大工作水深為40 m,直徑為 5 m.造波系統(tǒng)由 222 塊單元搖板組成,分兩組布置在水池相鄰垂直兩邊,其中長邊有122塊搖板,短邊有100塊搖板,每塊搖板寬為0.4 m,各搖板由各自的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 均可獨(dú)立造波.在兩組多單元造波機(jī)的對(duì)岸均設(shè)有消波灘,用以減弱反射波影響.在給定主波向時(shí),多單元造波機(jī)可在深水池內(nèi)生成高質(zhì)量三維短峰波浪[12-13].

1.1 圓筒形FPSO及系泊系統(tǒng)

三維短峰波中圓筒形FPSO水動(dòng)力模型試驗(yàn)縮尺比為1∶60,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎貌Ａт摬牧现谱?表1為圓筒形FPSO平臺(tái)主要參數(shù).通過靜水衰減試驗(yàn)對(duì)模型固有周期等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié).

表1 圓筒形FPSO主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of cylinder FPSO

圓筒形FPSO系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成,編號(hào)為#1～#12,分3組布置,每組間隔120°,每組4根,每根之間間隔2°.實(shí)際系泊纜由錨鏈、聚酯纜和浮筒組成.由于水池尺度限制,本次模型試驗(yàn)采用截?cái)嘣O(shè)計(jì)方法,利用錨鏈、鋼絲繩和有機(jī)玻璃等,根據(jù)單位質(zhì)量和軸向剛度等參數(shù)對(duì)圓筒形FPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行模擬.系泊纜長度實(shí)型值為 1 051 m,模型值為17.52 m,預(yù)張力實(shí)型值為 1 466 kN,模型值為 6.62 N.

圖1為圓筒形FPSO試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2為系泊纜試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖3為水池中模型布置示意圖.圖中,o-xyz為船體坐標(biāo)系,O-XYZ為水池坐標(biāo)系,垂向坐標(biāo)向上為正.

圖1 圓筒形FPSO模型Fig.1 Model of cylinder FPSO

圖2 系泊纜模型Fig.2 Model of mooring line

圖3 模型布置示意圖Fig.3 Layout of model test

1.2 波浪環(huán)境條件和試驗(yàn)工況

圓筒形FPSO實(shí)際作業(yè)水深為313 m,對(duì)應(yīng)模型水深為5.2 m.波浪環(huán)境條件包括3個(gè)短峰波浪和1個(gè)長峰波浪,均采用JONSWAP波譜,譜峰參數(shù)為2.2.表2為圓筒形FPSO模型試驗(yàn)工況和波浪環(huán)境條件參數(shù).短峰波浪方向分布函數(shù)選取半角余弦型分布,采用單迭代法生成各單元搖板驅(qū)動(dòng)時(shí)歷信號(hào)[1].短峰波浪主波向和長峰波浪波向選取迎浪方向(水池坐標(biāo),見圖3),選取方向分布范圍為[-45°, 45°].采用正五邊形浪高儀陣列采集模擬的短峰波浪時(shí)歷,利用擴(kuò)展的最大似然法(EMLM)對(duì)模擬的波浪進(jìn)行分析,圖4為正五邊形浪高儀陣列示意圖.圖5為長峰波浪波譜模擬結(jié)果,圖中數(shù)據(jù)均為實(shí)型值,ε為方向譜密度,ω為圓頻率.圖6為SC03工況模型試驗(yàn)照片.圖7為短峰波浪方向譜模擬結(jié)果,其中l(wèi)為方向角.

圖4 浪高儀陣列示意圖Fig.4 Diagram of wave gage array

圖5 長峰波浪波譜模擬結(jié)果Fig.5 Comparison of generated and target long-crested wave spectrum

圖6 SC03工況試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.6 Picture of model test (case SC03)

表2 工況和波浪參數(shù)Tab.2 Experimental cases and parameters of waves

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用非接觸式光學(xué)運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)對(duì)圓筒形FPSO模型六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測量與數(shù)據(jù)采集,該系統(tǒng)線運(yùn)動(dòng)測量精度為1 mm,角運(yùn)動(dòng)測量精度為0.1°.圖8所示為圓筒形FPSO縱蕩、橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線,表3為圓筒形FPSO在短峰波和長峰波試驗(yàn)中六自由度運(yùn)動(dòng)最大幅值試驗(yàn)結(jié)果,表中和圖中數(shù)據(jù)均為實(shí)型值.

圖8 圓筒形FPSO運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig.8 Time series of movement of cylindrical FPSO

表3 圓筒形FPSO運(yùn)動(dòng)最大幅值Tab.3 Maximum motion amplitudes of cylinder FPSO

從試驗(yàn)結(jié)果可知,在長峰波試驗(yàn)中,圓筒形FPSO縱蕩最大幅值分別是方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗(yàn)結(jié)果的1.28倍、1.10倍和1.18倍.在長峰波環(huán)境條件中,圓筒形FPSO的縱蕩運(yùn)動(dòng)顯著大于短峰波試驗(yàn)結(jié)果.

對(duì)于橫蕩運(yùn)動(dòng)最大幅值,方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗(yàn)結(jié)果分別是長峰波試驗(yàn)結(jié)果的3.94倍、2.83倍和2.21倍;對(duì)于橫搖運(yùn)動(dòng)最大幅值,方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗(yàn)結(jié)果分別是長峰波試驗(yàn)結(jié)果的2.60倍、2.34倍和2.13倍.在短峰波試驗(yàn)中,橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)顯著大于長峰波試驗(yàn)結(jié)果,并且隨著方向分布參數(shù)的減小,圓筒形FPSO橫向運(yùn)動(dòng)明顯增大,即當(dāng)主波向?yàn)橛朔较驎r(shí),波能的方向分布越寬,橫向運(yùn)動(dòng)越劇烈.

在短峰波試驗(yàn)中,圓筒形FPSO首搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)相對(duì)于長峰波試驗(yàn)中的結(jié)果較大,垂蕩運(yùn)動(dòng)在短峰波和長峰波中的試驗(yàn)結(jié)果差異較小.

2.2 系泊力試驗(yàn)結(jié)果與分析

表4為圓筒形FPSO在短峰波和長峰波試驗(yàn)中系泊力最大值試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值,結(jié)果已換算至實(shí)型值.從試驗(yàn)結(jié)果看,在短峰波和長峰波試驗(yàn)中,#5～#8系泊纜最大張力相對(duì)#1～#4和#9～#12兩組較大,#1～#8系泊纜長峰波試驗(yàn)結(jié)果均較短峰波試驗(yàn)結(jié)果大,其中張力最大值均發(fā)生在#6系泊纜,長峰波試驗(yàn)結(jié)果分別是方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗(yàn)結(jié)果的1.03倍、1.05倍和1.04倍.

表4 系泊纜最大張力Tab.4 Maximum tensions of mooring lines

3 結(jié)論

在海洋深水池內(nèi)分別采用不同方向分布參數(shù)的短峰波和長峰波對(duì)圓筒形FPSO水動(dòng)力性能開展模型試驗(yàn)研究,對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力進(jìn)行對(duì)比分析,主要得到以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)主波向或波向?yàn)橛朔较驎r(shí),在短峰波環(huán)境條件中,相較于長峰波浪,圓筒形FPSO橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大,并且隨著波能的方向分布越寬,橫向運(yùn)動(dòng)越劇烈.

(2) 當(dāng)主波向或波向?yàn)橛朔较驎r(shí),在短峰波環(huán)境條件中,相較于長峰波浪,圓筒形FPSO縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)減小,首搖和縱搖運(yùn)動(dòng)增大,垂蕩運(yùn)動(dòng)差距較小.

(3) 從主要受力的系泊纜最大張力試驗(yàn)結(jié)果可知,在長峰波環(huán)境條件中,圓筒形FPSO系泊纜最大張力大于短峰波試驗(yàn)結(jié)果.

本文開展的短峰波中圓筒形FPSO水動(dòng)力性能模型試驗(yàn)結(jié)果顯示,在短峰波環(huán)境條件中,圓筒形FPSO的運(yùn)動(dòng)和系泊力與長峰波環(huán)境條件中存在較為顯著的差異,以期為深入開展三維短峰波中海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能研究提供參考.