穿梭液化天然气船旁靠计算

俞 赟，刘 鹏

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

作为一种清洁能源，液化天然气（LNG）的市场需求量一直在稳定增长。穿梭LNG船，作为浮式天然气生产储卸装置（FLNG）和陆上LNG接收端之间的联系者显得尤为重要。其旁靠作业的安全性也成为研究的热点之一。

与常规加油船靠泊、码头系泊等不同，穿梭LNG船和FLNG的尺度相当，因此其两船间的相互影响尤为重要。两船之间的相互作用已成为解决系泊系统和外输作业之间相互关系的关键问题。两船之间的相互影响包括机械和水动力的相互作用。机械的相互作用通过船体之间构件的性能进行模拟，而水动力的相互作用则非常复杂，需要通过完整求解多体之间的相互作用得到。两船旁靠时，在某些波浪频率下的运动可能非常小，而在某些波浪频率下运动非常剧烈。因此，对于此运动需要特别关注。国内外学者王建方[1]、陈晓波等[2]对其理论进行了大量的研究工作，匡晓峰等[3]、罗伟等[4]对模型试验也做了研究。

以170000m3穿梭LNG船与250000m3FLNG装置旁靠运动为例，简要阐述了旁靠运动计算的原理，从运动性能角度分析了旁靠作业时两船的相互效应对固有周期、两船间运动、两船间波浪的遮蔽效应等的影响，对旁靠作业船的靠泊方向提出了建议。

1 主尺度

穿梭LNG船和FLNG船的主尺度见表1。

表1 主尺度 单位：m

图1 坐标系

2 坐标系统

穿梭LNG船和FLNG船的坐标系见图1。

3 数学模型

3.1 运动方程

采用三维线性零航速频域理论结合阻尼耗散系数法，对其运动响应进行预报[5]。三维线性零航速频域理论假定附体在波幅上运动，则非线性而位置不确定的自由面可展成一阶自由面条件；满足流体不可渗透湿表面物面条件可展成一阶物面条件，从而略去二阶和更高阶小量。而且，认为波浪与船体之间的相互作用已经持续了相当长时间，即入射波的初始扰动和船体初始动荡的影响不予考虑，流场运动已达稳态。这样，入射波为简谐，则船体的响应也是简谐的，两者只有相位差，因而，可以在频域内求稳态解。

其运动方程（M是船体的总数量）和单体运动方程相似为：

3.2 水动力相互作用

与在两船之间人为增加一块虚拟的盖子不同，直接采用真实的等式，且用理想流体通过阻尼力引入能量耗散系数。内部力：

在大多数情况下，阻尼系数μ为零，对结果没有影响。但是，在两船之间的限制区域内，阻尼项的作用就非常重要。

自由表面的边界条件改写为：

式中：耗散系数ε=μ/ω，ω——圆频率。耗散系数会影响船体的运动响应，其取值需要参考相关项目或根据船模实验最终确定。

3.3 短期预报

得到传递函数H(ω)后，结合短期预报波浪谱Sς(ω)，得到运动响应谱

为了得到船舶在相应海况下的运动响应，需要对其进行预报分析。对于船体的运动性能评估一般采用短期预报，典型的为3h。在此期间，假定船体的装载、航速、浪向及海况条件基本不变。根据数理统计的结论，短期预报的幅值服从瑞利（Rayleigh）分布：

从而得到该船的短期预报的各种统计，如均值和有义值等。其中，工程上经常使用的有单幅有义值、单幅最大值等。

单幅有义值η1/3为

求得单幅最大值ηmax为

采用1/1000值代替单幅最大值，即

4 计算工况

4.1 装载工况

穿梭LNG船和FLNG船装载频繁，其装载组合更是复杂多变，实际情况中，考虑穿梭LNG船和FLNG的实际极限装载情况组合——组合一和组合三，满载和压载之间的组合；再选取一个典型的中间工况。以此评估此两船的运动性能（见表2）。

表2 典型装载工况组合

4.2 海况

艏艉系泊缆、外输臂等设备作业条件限制，通过设备条件反算可作业的海况条件。采用表3所示海况进行评估。

表3 典型海况

5 计算网格

全船网格划分见图2。其中两船之间的网格为两船之间自由面的限制区域，在此区域增加自由液面耗散系数。

6 计算结果与分析

通过计算得到船体运动性能的主要信息包括固有周期、传递函数和短期预报值。

6.1 固有周期

三种状态下的固有周期见表3。从表3可知，单船与考虑两船间相互影响相比，横摇周期略有减小，升沉和纵摇的固有周期减小约1s左右。三个典型装载工况间，满载时横摇和升沉的周期均最长，纵摇三种装载状态相差不大。

图2 网格划分

表3 穿梭LNG固有周期 单位：s

6.2 传递函数

受到大船FLNG船对小船——穿梭LNG船遮蔽效应的影响（见图3），以组合一为例（此时穿梭LNG船压载，FLNG船满载）。对于小船——穿梭LNG船位于遮蔽水域时（见图4），除横摇、纵荡运动幅值略小以外，其他方向运动幅值普遍偏大。而相比之下，旁靠对于大船——FLNG船的影响很小，运动响应的传递函数在船体两舷基本对称（见图5）。

运动在波浪频率小于1.0(°)/s，即波浪周期大于6.263s时，运动响应较大，波浪频率大于1.0(°)/s后，其运动响应很小。在波浪频率为1.0(°)/s左右，其运动响应会有一个波峰。

纵荡最大幅值，出现在迎浪0°和随浪180°附近；横荡和横摇最大幅值出现在横浪90°和270°附近；升沉最大幅值出现在无遮蔽区域横浪90°附近；纵摇最大幅值出现在无遮蔽区域60°和120°附近；艏摇最大幅值出现在45°、135°、225°和315°附近。

图3 波浪遮蔽效应

6.3 短期预报

根据传递函数，通过短期预报得到该船在指定海况下的6自由度运动响应（见表4）。在波高1.5m情况下，穿梭LNG船的运动幅值很小，横摇单幅最大值＜1°。

受遮蔽效应的影响，无遮蔽水域运动幅值基本都大于遮蔽水域的运动幅值。另外，不受两船间相互效应的影响，其短期预报的运动幅值介于两船旁靠情况下无遮蔽水域和遮蔽水域的运动幅值之间（见表5）。

图4 穿梭LNG船传递函数

图5 FLNG船传递函数

表4 穿梭LNG船短期预报响应结果

遮蔽水域和无遮蔽水域运动幅值相差较大，因此，实际靠泊建议小船从大船的遮蔽水域靠泊。这样，升沉可以减小为前者的30%，纵摇、艏摇减小为前者的40%，纵荡、横荡减小为前者的70%，而横摇变化不是很明显。

对比穿梭LNG船的压载、装载60%和满载之间的运动幅值。运动幅值大部分处于一个量级，但横摇幅值相差较大，压载约为满载1.5倍，装载60%约为压载的2倍、满载的3～4倍。

表5 穿梭LNG船短期预报 单位：m

两船绑扎、装卸，需要考虑两船之间相对运动。由表5可知，受遮蔽效应的影响，遮蔽水域与无遮蔽水域相比，两船间的相对运动幅值，其纵向X和横向Y的相对运动幅值减小不大，约为前者的90%左右；但垂向Z的相对运动幅值降幅很大，约为前者的30%左右。因此，同样建议实际靠泊时小船从大船的遮蔽水域进行。

7 结 语

采用三维线性零航速频域理论结合引入两船间自由液面能量耗散系数的方法对穿梭 LNG船旁靠FLNG船的情况进行计算，结论和建议如下：

1) 两船旁靠情况下，小船的固有周期会略有减小，但影响不大；

2) 两船旁靠，对大船的运动影响小，对小船的运动影响大。在波浪频率1.0(°)/s附近会出现峰值；

3) 将两船旁靠和仅小船单船的运动情况做比较，单船的运动幅值介于两船旁靠时无遮蔽和遮蔽水域之间的运动幅值；

4) 受大船遮蔽效应影响，小船在遮蔽水域运动幅值大部分小于无遮蔽水域的运动幅值。升沉减小为前者的30%，纵摇、首摇减小为前者的40%，纵荡、横荡减小为前者的70%，而横摇变化不是很明显；

5) 在波高1.5m时，穿梭LNG船的运动幅值很小，横摇单幅最大值＜1°；

6) 两船之间的自由液面耗散系数对船体的运动响应影响很大，其取值需要参考相关项目或根据船模实验最终确定。

[1] WANG Jianfang, Li Jide,CAI Xin-gong. Coupled Motions of Two Ships in Waves on 3D Method[J],船舶力学，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] 匡晓峰，等. 两船在波浪中靠帮模型运动的试验预报[J]，中国造船，2007（Sup 1）.

[4] 罗 伟，等. 码头双船系泊模型试验研究[J], 船舶工程，2007 (6)： 1-4.

[5] 张海彬，等. 水动力分析在海洋结构物设计中的应用[J]. 中国海洋平台，2008 (1)： 1-5.