深水供应船耐波性及减摇效果研究

吴文成，邹 康

（1. 中海油田服务股份有限公司船舶事业部，北京 101149；2. 上海船舶研究设计院，上海 201203）

深水供应船耐波性及减摇效果研究

吴文成1，邹 康2

（1. 中海油田服务股份有限公司船舶事业部，北京 101149；2. 上海船舶研究设计院，上海 201203）

采用基于三维频域势流理论的数值计算方法，对某深水供应船运动性能进行了计算，并结合深水供应船的特点，选取相关安全作业和安全航行的耐波性运动衡准，分析了深水供应船的耐波性能。计算结果表明，该船能满足7级风对应海况下的安全作业以及12级风对应海况下的安全航行要求。根据实际情况，采用势流和黏性相结合的时域数值计算方法，对该船所配备的平面被动式减摇水舱的减摇效果进行了计算和评估，减摇水舱装载率为60%舱高，在不规则波中进行计算，结果显示该船在≤7级风对应海况作业时，有望获得25%～44%的不规则波减摇率，艏斜浪下的减摇率较横浪大，并且随着波高的增加减摇率下降。该研究可为了解此类船舶的耐波性及减摇性提供参考。

深水供应船；耐波性；减摇水舱；减摇率评估

0 引 言

海洋作为全球油气资源开发的新领域，已经成为全球油气资源重要的接替区。而深水是当今世界油气勘探开发的热点，当前国际各大石油公司的新动向就是走出已经勘探较多的陆架海区，寻找深海海底的油气藏。随着海上石油开采不断向深海进军，使得海洋工程船舶必须经受更加恶劣海洋条件的考验。因此其耐波性，特别是低航速和零航速作业工况下的耐波性备受关注。

以某深水供应船为研究对象，采用数值计算方法，结合其作业和航行特点以及相关运动衡准要求，对该船的耐波性进行计算和分析。另外，还对该船配备的减摇水舱减摇效果进行了计算和评估，以更全面了解该船的耐波性。

1 计算方法

采用三维线性频域势流理论进行耐波性计算，计算未考虑减摇水舱的影响。频域方法的优点是计算速度快，计算结果也令人满意。在工程上应用非常广泛［1］。

带减摇水舱的船舶运动计算是采用基于三维时域势流理论和黏流理论相结合的数值方法进行的。具体方法是：将船舶运动与减摇水舱内水体运动在时域内进行耦合求解，船舶运动作为减摇水舱运动的激励输入，而减摇水舱内水体在舱壁上产生的力/力矩则作为外力/力矩输入船舶运动方程中求解，如此往复；其中，船舶运动采用三维线性时域势流理论求解，减摇水舱内水体运动则采用基于RANS方程的CFD法进行，两者在每一时间步内进行耦合求解［2］。

考虑到黏性对横摇阻尼的影响以及阻尼的非线性特点，根据文献［3］中所述半经验的ITH法计算非线性横摇阻尼系数并进行运动响应的预报。

2 研究对象

研究对象为一艘深水供应船，该船在船尾主甲板以下设置了一个平面被动式减摇水舱，水舱尺度为5.2m×20m×3m，舱内布置两排圆柱形阻尼格栅。

船体主尺度和参数列于表1中。图1为设计吃水耐波性计算船体面源网格。图2为减摇水舱计算三维体网格。

表1　深水供应船主要参数 单位：m

图1　耐波性计算船体面源网格（设计吃水）

图2　减摇水舱计算三维体网格

3 计算结果与分析

3.1耐波性计算

对深水供应船在设计吃水（5.2m）和最大吃水（7.0m）下的运动响应作了计算，计算未考虑减摇水舱的影响，考虑水舱为排空状态。由于供应船供应作业时通常为零航速，而在大浪中航行时，受增阻、上浪、桨出水等影响，无法以较高航速航行。因此，计算航速分别选取0kn和6kn，浪向为0～180°，间隔45°。不规则波中运动响应短期预报所选用的海况见表2，波浪谱选用ITTC双参数谱。

表2　不规则波预报海况

通过计算，得到深水供应船不同工况下的运动响应幅值算子（RAO）曲线，继而可预报不规则波海况下的运动响应值。图3为部分零航速RAO曲线示例。表3～5列出了不规则波中运动响应单幅有义值预报结果，包括垂荡、横摇、纵摇艉部1站垂向加速度（艉加）、重心处垂向加速度（舯加）和艏部19站处垂向加速度（艏加）。

3.1.1沿海常见波高下运动性能

从表3、4可知，沿海常见波高下（1.5m），该船设计吃水和最大吃水下的横摇单幅有义值的最大值均小于5.0°，纵摇单幅有义值的最大值均小于1.5°，运动性能良好。

3.1.2作业工况下运动性能

根据文献［5］研究，作业工况下垂向加速度和横摇单幅有义值衡准分别为2.94m/s2和12°。从计算结果可知，0航速下，有义波高≤4.0m（对应7级风）时，垂向加速度和横摇单幅有义值的最大值分别为1.72m/s2和10.97°，计算结果表明该船在7级风对应海况下耐波性满足相关作业衡准要求。

3.1.3大浪航行工况下运动性能

根据文献［5］研究，考虑到操舵、观察、航海作业等要求，艏部垂向加速度单幅有义值衡准为5.40m/s2。从计算结果来看，航速6kn时，艏部垂向加速度最大值为5.04m/s2，计算结果表明该船在12级风对应海况下的耐波性能满足相关安全航行的衡准要求。

图3　零航速不同浪向ARO

表3　不规则波运动单幅有义值预报结果（设计吃水）

表4　不规则波运动单幅有义值预报结果（最大吃水）

3.2减摇效果计算

对深水供应船不规则波中的减摇效果作了计算。其中，计算吃水为设计吃水，计算航速为零航速，水舱装载率为60%液舱高度。计算直接在不规则波中进行，得到船舶在不规则波中的运动时历，继而分析各运动响应值。表5为减摇前后运动单幅有义值对比。其中减摇率的定义如下：

式中：φoff，φon——分别为减摇水舱开启前后的横摇运动单幅有义值。

从表5可知，减摇水舱对垂荡和纵摇的影响不大，主要影响横摇运动。就所计算的工况而言，艏斜浪135°的横摇减摇率均大于横浪 90°情况下的数值。此外，随着有义波高的增加，横摇减摇率下降，这主要是因为外部波浪扰动力增加以及减摇水舱运动的非线性特性影响所致。其中最大减摇率为有义波高1.5m，135°浪向，减摇率为44%，最小减摇率为有义波高4.0m，横浪90°，减摇率为25%。

图4、5为减摇前后的横摇运动时历对比曲线。图6为有义波高4.0m时某时刻减摇水舱内液面形状。

表5　减摇前后运动单幅有义值对比（设计吃水）

图4　减摇前后横摇运动时历对比（有义波高=1.5m，跨零周期=6.0s，浪向=135°

图5 减摇前后横摇运动时历对比（有义波高=4.0m，跨零周期=7.5s，浪向=90°）

图6水舱自由液面形状（有义波高=4.0m，跨零周期=7.5s，浪向=90°）

4 结 语

通过数值计算，研究了某深水供应船耐波性能及减摇水舱减摇效果，得到以下主要结论：

1） 该船满足7级风对应海况下作业，以及12级风对应海况下安全航行的相关耐波性运动衡准要求；

2） 减摇水舱使用后，该船在7级风及以下风级对应海况作业时，有望获得25%～44%的不规则波减摇率，随着波高的增加，减摇率降低。

［1］ 李积德. 船舶耐波性［M］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

［2］ Kang Zou，Q-m Miao et al.Motion prediction of the ship with sloshing tanks［C］. OMAE..2009.958-962.

［3］ Xiao-bo CHEN et al.Hydrostar for Experts User Manual［R］. France： BV， 2012.

［4］ 方钟圣，等. 西北太平洋波浪统计集［M］. 北京：国防工业出版社，1995.

［5］ 戴仁元，等. 船舶耐波性评价方法与衡准［J］. 中国造船，1990（增刊1）： 175-180.

工艺与材料

Study on the Deepwater Supply Vessel Seakeeping and Anti-rolling Effect

WU Wen-cheng1， ZHOU Kang2
（1. China Oilfield Services Limited，Beijing 101149；2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203）

Using the 3D frequency domain potential theory based numerical computation method， this paper calculates the motion performance of a deepwater platform supply vessel （PSV）. On the basis of the ship's characteristics， the safe operation and safe navigation seakeeping standards are selected in order to analyze the seakeeping performance of the deepwater supply vessel. The result shows that the vessel can meet the safe operation requirements under sea conditions of wind scale 7， and can meet the safe navigation requirements under sea conditions of wind scale 12. According to the actual situation， a combined potential and viscous flow time domain numerical calculation method is adopted， the anti-rolling effect of the planar passive type anti-rolling tank onboard this ship is calculated and evaluated. With the loading factor of 60% tank height， the calculation result in irregular waves shows that when the ship operates in sea states corresponding to ≤7 wind scale， the rolling-damper efficiency in irregular waves can be as high as 25%～44%. The rolling-damper efficiency is found larger in bow sea than in beam sea and it decreases with the increase of wave height. This study can provide some reference for understanding the seakeeping and anti-rolling performance of such ship type.

deepwater supply vessel； seakeeping； anti-rolling tank； roll-damper efficiency evaluation

U661.1

A

2095-4069 （2016） 01-0036-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.007

2015-02-13

吴文成，男，工程师，1963年生。1982年毕业于海洋石油学校轮机管理专业，现从事海洋石油支持船使用与技术研究工作。