规则波中FPSO的水动力性能分析

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(1. 江苏科技大学 苏州理工学院 船舶与建筑工程学院， 江苏 张家港 215600；2. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003；3. 上海江南长兴造船有限责任公司 设计部， 上海 201913)

规则波中FPSO的水动力性能分析

(季林帅1，嵇春艳2,季丽华3

(1.江苏科技大学苏州理工学院船舶与建筑工程学院，江苏张家港215600；2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003；3.上海江南长兴造船有限责任公司设计部，上海201913)

利用水动力软件AQWA研究FPSO在不同装载状况以及不同入射角下的水动力性能。结果表明:附加质量、辐射阻尼系数随着FPSO吃水的增加而显著增大；一阶波浪力对频率变化比较敏感，均有3～4个峰值；随入射波频率的增大，浮体受到的波浪力明显减小。

FPSO；水动力参数；AQWA

0 引 言

随着人们对石油等资源需求的增加，如何高效地开发海洋资源成为全球密切关注的问题。FPSO具有结构稳定性好、抗风浪能力强的优点[1]，是海上石油开发和生产的主力军[2]。为保证FPSO在恶劣海况下仍能正常的工作，需要对其运动响应进行预报。利用切片法，KODAN[3]和OHKUSU[4]对多浮体的水动力进行计算。PINKSTER等[5]提出使用三维方法分析波浪中两浮体的水动力响应。近年来，三维势流理论越来越广泛地应用于大型海洋结构物上，全球各大船级社几乎都采用该理论预报船舶的运动和受力情况[6]。

本文采用三维势流理论分析FPSO的水动力性能，以一艘排水量近40万t的FPSO为研究对象，在频域下计算规则波中FPSO的水动力参数在不同装载情况以及不同入射角情况下的变化规律。

1 有限元模型及参数设置

本文的研究对象为一艘排水量近40万t的FPSO，其基本尺度见表1。

表1 FPSO主尺度 m

利用ANSYS建立有限元模型，通过Meshtool对FPSO进行网格划分。网格大多为四边形，在曲率变化较大的地方为三角形，如图1所示。在AQWA中，定义风浪流方向角为风浪流传播方向与x轴正方向逆时针的夹角。考虑到FPSO关于x轴对称，浪向角范围取为0°～180°，浪向角增量步长为30°。如图2所示。频域分析时，规则微幅波的波浪频率范围取0.1～1.3 rad/s。

图1 FPSO水动力面元模型 图2 AQWA浪向角设置

2 水动力性能计算与分析

2.1不同吃水深度下的水动力性能

由于FPSO在服役过程中装载量不断变化，其水动力性能受浮态和水线面惯性矩等因素的影响。因此，根据工程中FPSO的实际装载情况，考虑压载和满载2种典型载况(见表1)，研究FPSO水动力性能随吃水的变化规律。

2.1.1 附加质量的变化规律

附加惯性力与船舶加速度的比例系数称为附加质量[7]。图3为2种吃水深度下6个自由度方向的附加质量在浪向角为0°时的变化规律。

图3 附加质量随吃水深度的变化

由图3可以看出：FPSO的6个自由度的附加质量普遍随着吃水的增加而增加；在纵荡、横荡和艏摇3个水平面自由度上，当圆频率为0～0.8 rad/s时，FPSO的附加质量在不同吃水下相差较大，满载状态下的附加质量约为压载状态下的10倍；在横摇、纵摇和垂荡3个垂直平面自由度上，而当圆频率为0～0.5 rad/s时，FPSO的附加质量在不同装载量下相差较小，当圆频率0.5～1.3 rad/s时，FPSO满载状态下的附加质量远远大于压载状态下的附加质量。

2.1.2 辐射阻尼系数的变化规律

辐射阻尼力与船舶速度的比例系数即为辐射阻尼系数。图4为2种吃水深度下，6个自由度方向的辐射阻尼系数在浪向角为0°时的变化规律。

图4 阻尼系数随吃水深度的变化

由图4可以看出：在低频(小于0.3 rad/s)和高频(大于1.2 rad/s)范围内，辐射阻尼系数变化很小。在波频为0.3～1.2 rad/s时，辐射阻尼系数在纵荡、横荡和艏摇3个水平面自由度上随着FPSO装载情况变化明显，满载状态下的辐射阻尼系数约比压载状态下的大一个数量级。在横摇，纵摇和垂荡3个垂直平面内的自由度上，满载时的辐射阻尼系数小于空载状态下的辐射阻尼系数。

2.1.3 一阶波激力的变化规律

在线性理论中，一阶波浪力与波幅成正比。图5为2种吃水深度下，纵荡、垂荡和纵摇3个自由度方向的一阶波激力在浪向角为0°时的变化规律。

图5 一阶波激力随吃水深度的变化

由图5可知：在垂荡和纵摇2个自由度上，FPSO的一阶波激力在不同吃水状态下的变化基本很小。在纵荡时，FPSO的一阶波激力随着吃水深度的增加有明显的增加，满载状态下的一阶波激力远大于压载状态。这是因为：当海洋结构物吃水较大时，主要受到波浪力对其的影响，当入射角为0°时，纵荡方向的运动最为明显。

2.1.4 平均二阶漂移力的变化规律

浮式结构物受到的波浪力除了一阶波浪力外还有二阶波浪力。二阶波浪力[8-9]包括二阶平均波浪力、差频力(慢漂力)和频力(快变力)。图6为2种吃水深度下，纵荡、横荡和艏摇3个自由度方向的二阶平均漂移力在浪向角为0°时的变化规律。

图6 二阶漂移力随吃水深度的变化

由图6可知：二阶力远小于一阶力。在纵荡和横荡时，FPSO的二阶漂移力随吃水深度的变化基本没有变化。在艏摇时，当频率为0～ 0.3 rad/s时，吃水深度的变化对FPSO的二阶漂移力基本没有影响；当频率为0.3 ～ 0.9 rad/s时，FPSO的漂移力随着吃水的增加而增加。

2.1.5 运动响应幅值算子的变化规律

图7为2种吃水深度下，纵荡、垂荡和纵摇3个自由度方向的运动响应幅值算子在浪向角为0°时的变化规律。

图7 RAO随吃水深度的变化

由图7可以看出：RAO的变化规律与一阶波激力的变化规律基本一致，运动响应算子的峰值点对应的频率与一阶波激力相同。因此，在通常情况下，一阶波浪力以频率响应函数的形式给出。

2.2不同浪向角的水动力性能

在不同浪向角下，船舶的水动力性能不同。通过比较不同浪向角下FPSO的一阶波激力、二阶平均漂移力以及运动响应幅值算子，对FPSO的水动力性能有了基本了解。为了确保FPSO的安全性，可避开某些对应于水动力性能较强的浪向角，从而采用相对安全的停泊角度。

2.2.1 一阶波激力的变化规律

图8为FPSO压载状态下，6个自由度方向的一阶波激力随浪向角β的变化规律。由于FPSO关于x轴对称，定义浪向角增量步长为45°，分别分析FPSO在浪向角为0°，30°，60°，90°，120°，150°和180°下，一阶波激力的变化规律。

图8 一阶波激力随浪向角的变化

由图8可以看出：一阶波浪力对频率变化比较敏感，在不同入射角下均有3～4个峰值；随入射波频率的增大，浮体受到的波浪力不断减小。

在纵荡和纵摇时，一阶波激力变化规律类似，FPSO的一阶波激力在β=90°时最小，其数值随着波浪频率的增大基本不变；在其他浪向角的情况下，浮体的一阶波激力随着波浪频率的增大有较大的波动。这与实际海况中的情况相符。

在横荡、垂荡和横摇时，一阶波激力变化规律相似。当入射角从0°到90°时，FPSO的一阶波浪力随着入射角的增大而增大，当浪向角为90°时，一阶波激力最大。此外，一阶波激力的变化基本关于y轴对称，这是由于FPSO前后型线相差不大造成的，因此，当入射角从90°增大到180°时，FPSO的一阶波浪力随着入射角的增大而减小；当浪向角为0°时，横荡和横摇一阶波激力基本为0,且随着频率的增加其变化幅度不大。

2.2.2 平均二阶漂移力的变化规律

图9为纵荡、横荡和艏摇3个自由度方向的二阶平均漂移力在FPSO压载状态下随浪向角变化而变化的规律。

图9 二阶漂移力随浪向角的变化

由图9可以看出：FPSO顺浪时，横荡漂移力在全频域上基本为0，而艏摇漂移力矩在0°～90°范围内基本小于0，在90°～180°范围内基本大于0。

2.2.3 运动响应幅值算子随波浪入射角的变化特性

图10为6个自由度方向的运动响应幅值算子在FPSO压载状态下随浪向角β的变化规律。

图10 RAO随浪向角的变化

由图10可以看出：6个自由度的运动响应幅值在入射角下的变化规律与一阶波激力的变化规律基本一致。

3 结 论

对规则波中FPSO的水动力参数在不同装载情况以及不同入射角下的变化规律进行分析，得到以下主要结论：

(1) FPSO的附加质量变化有一个普遍的规律，即随着吃水的增加而增加。

(2) 在低频(小于0.3 rad/s)和高频(大于1.2 rad/s)范围内，辐射阻尼系数变化很小。在波频0.3～1.2 rad/s范围内，辐射阻尼系数随着FPSO装载情况的变化有较大的变化。

(3) 在纵荡时，FPSO的一阶波激力随吃水深度的增加而明显地增加，满载状态下的一阶波激力远大于压载状态下的一阶波激力。这是因为当海洋结构物吃水较大时，其主要受到波浪力的影响，当入射角为0°时，纵荡方向的运动最为明显。同时，一阶波激力在任何入射角下都有一些普遍的规律：一阶波浪力对频率变化比较敏感，在不同入射角下均有3～4个峰值；随入射波频率的增大，可以明显地看到，浮体受到的波浪力不断减小。

(4) 二阶漂移力在数量级上远小于一阶波激力。在纵荡和横荡时，FPSO的二阶漂移力随吃水深度的变化基本没有变化。在艏摇时，当频率为0～ 0.3 rad/s时，吃水深度的变化对FPSO的二阶漂移力基本没有影响；当频率0.3 ～ 0.9 rad/s时，FPSO的漂移力随着吃水的增加而增加；FPSO顺浪时，横荡漂移力基本在全频域上为0。而艏摇漂移力矩在0°～90°范围内基本小于0，在90°～180°范围内基本大于0，这是由于FPSO关于中线面对称。

(5) 运动响应算子随吃水的变化规律与一阶波激力的变化规律基本一致，运动响应算子的峰值点对应的频率与一阶波激力相同；此外6个自由度的运动响应幅值在不同浪向角下的变化规律与一阶波激力的变化规律基本相同。因此，在通常情况下，一阶波浪力以频率响应函数的形式表示。

[1] 袁中立，李春.FPSO的现状与关键技术[J].石油工程建设，2005,31(06):24-29.

[2] 赵耕贤.FPSO设计综述[J].中国海洋平台，2006,21(01):1-5.

[3] KODAN N. The Motions of Adjacent Floating Structures in Oblique Waves [C]// 3rd International Symposium on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. New Orleans, America, 1984: 206-231.

[4] OHKUSU M. Ship Motions in Vicinity of a Structure [C]// International Conference on Behavior of Offshore Structures. Trondheim， Norway, 1974: 284-306.

[5] PINKSTER J A, ORTMERSSEN G V. Computation of the First and Second Order Wave Forces on Bodies Oscillating in Regular Waves[C]//Second International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics，1977.

[6] 戴仰山,沈进威,宋竞正.船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社,2007.

[7] 王科，张犀，张志强，等. FPSO型采油平台附加质量与阻尼力的分析研究[J]. 船舶力学，2011，15(1-2)：40-47.

[8] 韩鑫.海上浮体二阶波浪力计算[D] .上海：上海交通大学, 2012.

[9] LOW Y M, LANGLEY R S. A Hybrid Time/Frequency Domain Approach for Efficient Coupled Analysis of Vessel/Mooring/Riser Dynamics[J]. Ocean Engineering, 2008 (35)：433-446.

AnalysisofFPSOHydrodynamicPerformanceinRegularWave

JI Linshuai1, JI Chunyan2, JI Lihua3

(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Suzhou Institute of Technology, Jiangsu University of Science and Technology , Zhangjiagang 215600, Jiangsu， China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu， China; . Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 201913,China )

A FPSO is studied using the hydrodynamic analysis software AQWA to study the dynamics of FPSO under different drafts and different incident wave angle. As the draft increases, the added mass and radiation damping coefficient increase. The first order wave force is sensitive to the change of frequency, all of which have 3 to 4 peaks. With the increase of incident wave frequency, the wave force is obviously reduced.

FPSO; hydrodynamic parameters; AQWA

U656

A

2017-08-24

季林帅(1990-)，男， 硕士研究生

1001-4500(2017)05-0075-07