耗散系数修正对波浪载荷预报的影响研究

徐 贺 王 璞（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

耗散系数修正对波浪载荷预报的影响研究

徐 贺 王 璞
（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

在参考模型试验结果选取适当月池自由面耗散系数的基础上，对目标船进行波浪载荷预报。选取合理的月池自由面耗散系数，以准确模拟月池围壁压力；进而准确计算月池开孔对船体梁波浪载荷的影响，形成一套数值计算与模型试验相结合的带月池船体梁波浪载荷预报方法。研究成果为船舶波浪载荷预报提供参考。

耗散系数；月池；波浪载荷

引　言

海上油气开发不断向深海拓展，涌现出很多新的平台形式。浮式钻井生产储卸油装置（FDPSO，Floating Drilling Production Storage and Offloading Unit）是在 FPSO 的基础上结合钻井设备发展而来，即具有 FPSO 较强的生产储油特点，又具备钻探和完井的功能，降低了投资成本，缩短了生产周期。自 20 世纪 90 年代由巴西国家石油公司提出FDPSO概念之后，引起海洋工程界的广泛关注［1］。

与FPSO不同的是，FDPSO在船体中部设有月池用于钻井。根据工程实践经验，在月池区域或两船舶相互停靠时船体之间的狭窄区域内，流体液面会产生剧烈的运动。理想流体忽略了粘性效应，水动力分析时会夸大月池内部液面升高程度。解决此问题不能在船体运动方程中引入额外阻尼，这样会

本文基于一艘15万吨级FDPSO研发课题，采用BV-HYDROSTAR水动力分析软件，在月池区域设置自由面及能量耗散系数对月池内波面升高进行计算，参考模型试验结果，选取月池内液面的合理耗散系数以准确模拟月池围壁压力分布，在此基础上分析耗散系数对船体梁波浪载荷的影响［2-3］。

1　耗散系数方法介绍

由相关文献［4-5］可知，理想流体（无粘、无旋、不可压缩）假设下，二维空间下流体质量守恒拉普拉斯方程如下：

对于波浪简谐运动，速度势 可以表示为：式中：“R（）”表示复变量的实部。

式中：g为重力加速度，m/s2； A为入射波波高，m；ω= 2π/ T为入射波圆频率，rad/s； T为波浪周期，s；k = 2π / L为波数；L和h分别为波长与波高，m。

为了在势流理论基础上引入流体阻尼模型，必须引入人工的能量耗散系数。因此，原来辐射势自由面边界条件变为：

式中：ε为人为定义的耗散系数。因此一阶波面升高为：

自由面耗散系数大小可根据数值计算结果或模型试验测定的月池内波面升高值进行对比选取。

2　主尺度及水动力模型

该目标FDPSO主尺度见表1。

表1　目标FDPSO主尺度　m

选取满载工况进行分析，建立带有月池的湿表面模型（见图1、图2）。

图1　湿表面模型

图2　月池区域自由面网格示意图

环境条件选为该目标FDPSO南海生存海况，波浪谱为JONSWAP谱［4］，环境参数见下页表2。

表2　环境参数

3　月池内波面升高

3.1 模型试验月池波面升高

试验选取45°斜浪下（根据目标船工作实际海况，应进行指定各浪向的模型试验以及相应计算。本文仅以45°为例）一系列不同波长船长比（λ / L）的入射波进行试验，月池中点波面升高结果见图3。Z / ζa即单位波幅下的波面升高值，具体数值见表3。

图3　45°浪向波面升高无因次曲线试验值

表3　月池中点波面升高试验值汇总

3.2 数值计算无耗散系数时月池波面升高

计算月池内不设置自由面耗散系数时的波面升高，传递函数见图4。

图4　45°浪向波面升高无因次曲线计算值

由图4可见，不设置月池自由面耗散系数时，单位波幅引起的最大波面升高数值计算结果达到40 m以上，明显大于模型试验结果。因此，需要引入耗散系数准确模拟月池内的波面升高。

3.3 耗散系数的选取

参考相关文献，分别取月池自由面耗散系数0.1、0.2、0.3、0.4 进行月池中点波面升高传递函数计算。计算结果见图5，具体数值见下页表4。

图5　45°浪向波面升高传递函数

表4　月池中点波面升高计算值汇总

由表3和表4中波面升高最大值对比可见，选取月池内自由面耗散系数0.4时，能够合理且保守地计及月池区域的波浪载荷。

4　船体梁波浪载荷

根据表2中的环境参数，分别计算有月池但不设置耗散系数，以及有月池且设置耗散系数这两种情况下的船体梁波浪弯矩，并选取船中月池范围的船体梁波浪弯矩进行对比（见图6）。

图6　月池区域船体梁弯矩

如图6所示，不设置耗散系数的船体梁波浪弯矩比对应的设置耗散系数的波浪弯矩大2%。目标FDPSO月池大小为8 m×8 m，相对于船体尺度而言属于小月池，所以设置月池自由面耗散与无耗散时的波浪弯矩相差不大，对结构总强度并未产生实质性影响。然而，对于月池尺寸相对船体型值较大的船舶，其波浪载荷差异在上述两种情况下会较大，因此需作进一步研究。

5　结　论

由以上分析可知，合理的月池内自由面耗散系数对月池围壁压力及船体波浪载荷预报具有重要意义。本文计算结果表明：进行带有月池的船体梁波浪载荷数值预报时，若不设置自由面耗散系数，会严重夸大波面升高，但对波浪弯矩预报结果影响并不大；当月池尺寸相对船体型值较大时，月池自由面耗散系数对波面升高及载荷的影响则需进一步考察。

［1］ 刘建， 王世圣， 殷志明. FDPSO的应用模式分析［C］//中海油研究总院.第九届石油钻井研究院所长会议论文集.北京：石油工业出版社，2010.

［2］ 张晓宇，胡开业，周雯雯.带月池深海钻井船摇荡运动性能分析［J］.船舶，2016（1）：29-36.

［3］ 徐贺，王璞，杨玥.考虑液舱内部水动力的FPSO波浪载荷研究［J］.船舶，2015（1）：15-19.

［4］ Flávia C Rezende， Norman A M. Neumann and Martin Gundelach. The Dynamic Effects of Water Column Inside the Turret of an FPSO［C］//Offshore Technology Conference Brasil held in Rio de Janeiro， Brazil， 2013：29-31.

［5］ LU Lin， CHEN Xiaobo， TENG Bin. Viscous Dissipation and Artificial Damping for Gap Resonance Problem ［C］.//10th International Conference on Hydrodynamics，St. Petersburg， Russia，2012：1-4.

Infl uence of dissipation coeffi cient correction on wave loads prediction

XU He WANG Pu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The wave induced loads of the target ship are predicted based on the selection of the appropriate dissipation coefficients in the free surface of the moon pool which refer to the model test results. The proper dissipation coefficients are selected to simulate the pressures around the wall of the moon pool exactly, and then to calculate the influence of the moon pool opening on the wave loads on the hull girder. It finally forms a method to predict the wave induced loads on the hull girder by the combination of numerical calculation and model test, which can provide reference for the wave induced loads prediction.

dissipation coefficient; moon pool; wave induced loads

U661.32

A

1001-9855（2016）04-0021-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.021

2016-01-26；

2016-03-04

徐 贺（1987-），男，硕士，助理工程师，研究方向：船体载荷及结构设计。

王 璞（1977-），男，硕士，高级工程师，研究方向：船体载荷及结构设计。低估船体的运动幅度。本文旨在寻找一种能够合理计算带月池船体波浪载荷的方法。