耗散系數(shù)修正對(duì)波浪載荷預(yù)報(bào)的影響研究

徐 賀 王 璞（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

耗散系數(shù)修正對(duì)波浪載荷預(yù)報(bào)的影響研究

徐 賀 王 璞
（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

在參考模型試驗(yàn)結(jié)果選取適當(dāng)月池自由面耗散系數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)。選取合理的月池自由面耗散系數(shù)，以準(zhǔn)確模擬月池圍壁壓力；進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算月池開孔對(duì)船體梁波浪載荷的影響，形成一套數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的帶月池船體梁波浪載荷預(yù)報(bào)方法。研究成果為船舶波浪載荷預(yù)報(bào)提供參考。

耗散系數(shù)；月池；波浪載荷

引　言

海上油氣開發(fā)不斷向深海拓展，涌現(xiàn)出很多新的平臺(tái)形式。浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FDPSO，F(xiàn)loating Drilling Production Storage and Offloading Unit）是在 FPSO 的基礎(chǔ)上結(jié)合鉆井設(shè)備發(fā)展而來，即具有 FPSO 較強(qiáng)的生產(chǎn)儲(chǔ)油特點(diǎn)，又具備鉆探和完井的功能，降低了投資成本，縮短了生產(chǎn)周期。自 20 世紀(jì) 90 年代由巴西國(guó)家石油公司提出FDPSO概念之后，引起海洋工程界的廣泛關(guān)注［1］。

與FPSO不同的是，F(xiàn)DPSO在船體中部設(shè)有月池用于鉆井。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在月池區(qū)域或兩船舶相互停靠時(shí)船體之間的狹窄區(qū)域內(nèi)，流體液面會(huì)產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)。理想流體忽略了粘性效應(yīng)，水動(dòng)力分析時(shí)會(huì)夸大月池內(nèi)部液面升高程度。解決此問題不能在船體運(yùn)動(dòng)方程中引入額外阻尼，這樣會(huì)

本文基于一艘15萬噸級(jí)FDPSO研發(fā)課題，采用BV-HYDROSTAR水動(dòng)力分析軟件，在月池區(qū)域設(shè)置自由面及能量耗散系數(shù)對(duì)月池內(nèi)波面升高進(jìn)行計(jì)算，參考模型試驗(yàn)結(jié)果，選取月池內(nèi)液面的合理耗散系數(shù)以準(zhǔn)確模擬月池圍壁壓力分布，在此基礎(chǔ)上分析耗散系數(shù)對(duì)船體梁波浪載荷的影響［2-3］。

1　耗散系數(shù)方法介紹

由相關(guān)文獻(xiàn)［4-5］可知，理想流體（無粘、無旋、不可壓縮）假設(shè)下，二維空間下流體質(zhì)量守恒拉普拉斯方程如下：

對(duì)于波浪簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，速度勢(shì) 可以表示為：式中：“R（）”表示復(fù)變量的實(shí)部。

式中：g為重力加速度，m/s2； A為入射波波高，m；ω= 2π/ T為入射波圓頻率，rad/s； T為波浪周期，s；k = 2π / L為波數(shù)；L和h分別為波長(zhǎng)與波高，m。

為了在勢(shì)流理論基礎(chǔ)上引入流體阻尼模型，必須引入人工的能量耗散系數(shù)。因此，原來輻射勢(shì)自由面邊界條件變?yōu)椋?/p>

式中：ε為人為定義的耗散系數(shù)。因此一階波面升高為：

自由面耗散系數(shù)大小可根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果或模型試驗(yàn)測(cè)定的月池內(nèi)波面升高值進(jìn)行對(duì)比選取。

2　主尺度及水動(dòng)力模型

該目標(biāo)FDPSO主尺度見表1。

表1　目標(biāo)FDPSO主尺度　m

選取滿載工況進(jìn)行分析，建立帶有月池的濕表面模型（見圖1、圖2）。

圖1　濕表面模型

圖2　月池區(qū)域自由面網(wǎng)格示意圖

環(huán)境條件選為該目標(biāo)FDPSO南海生存海況，波浪譜為JONSWAP譜［4］，環(huán)境參數(shù)見下頁表2。

表2　環(huán)境參數(shù)

3　月池內(nèi)波面升高

3.1 模型試驗(yàn)月池波面升高

試驗(yàn)選取45°斜浪下（根據(jù)目標(biāo)船工作實(shí)際海況，應(yīng)進(jìn)行指定各浪向的模型試驗(yàn)以及相應(yīng)計(jì)算。本文僅以45°為例）一系列不同波長(zhǎng)船長(zhǎng)比（λ / L）的入射波進(jìn)行試驗(yàn)，月池中點(diǎn)波面升高結(jié)果見圖3。Z / ζa即單位波幅下的波面升高值，具體數(shù)值見表3。

圖3　45°浪向波面升高無因次曲線試驗(yàn)值

表3　月池中點(diǎn)波面升高試驗(yàn)值匯總

3.2 數(shù)值計(jì)算無耗散系數(shù)時(shí)月池波面升高

計(jì)算月池內(nèi)不設(shè)置自由面耗散系數(shù)時(shí)的波面升高，傳遞函數(shù)見圖4。

圖4　45°浪向波面升高無因次曲線計(jì)算值

由圖4可見，不設(shè)置月池自由面耗散系數(shù)時(shí)，單位波幅引起的最大波面升高數(shù)值計(jì)算結(jié)果達(dá)到40 m以上，明顯大于模型試驗(yàn)結(jié)果。因此，需要引入耗散系數(shù)準(zhǔn)確模擬月池內(nèi)的波面升高。

3.3 耗散系數(shù)的選取

參考相關(guān)文獻(xiàn)，分別取月池自由面耗散系數(shù)0.1、0.2、0.3、0.4 進(jìn)行月池中點(diǎn)波面升高傳遞函數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見圖5，具體數(shù)值見下頁表4。

圖5　45°浪向波面升高傳遞函數(shù)

表4　月池中點(diǎn)波面升高計(jì)算值匯總

由表3和表4中波面升高最大值對(duì)比可見，選取月池內(nèi)自由面耗散系數(shù)0.4時(shí)，能夠合理且保守地計(jì)及月池區(qū)域的波浪載荷。

4　船體梁波浪載荷

根據(jù)表2中的環(huán)境參數(shù)，分別計(jì)算有月池但不設(shè)置耗散系數(shù)，以及有月池且設(shè)置耗散系數(shù)這兩種情況下的船體梁波浪彎矩，并選取船中月池范圍的船體梁波浪彎矩進(jìn)行對(duì)比（見圖6）。

圖6　月池區(qū)域船體梁彎矩

如圖6所示，不設(shè)置耗散系數(shù)的船體梁波浪彎矩比對(duì)應(yīng)的設(shè)置耗散系數(shù)的波浪彎矩大2%。目標(biāo)FDPSO月池大小為8 m×8 m，相對(duì)于船體尺度而言屬于小月池，所以設(shè)置月池自由面耗散與無耗散時(shí)的波浪彎矩相差不大，對(duì)結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度并未產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。然而，對(duì)于月池尺寸相對(duì)船體型值較大的船舶，其波浪載荷差異在上述兩種情況下會(huì)較大，因此需作進(jìn)一步研究。

5　結(jié)　論

由以上分析可知，合理的月池內(nèi)自由面耗散系數(shù)對(duì)月池圍壁壓力及船體波浪載荷預(yù)報(bào)具有重要意義。本文計(jì)算結(jié)果表明：進(jìn)行帶有月池的船體梁波浪載荷數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)，若不設(shè)置自由面耗散系數(shù)，會(huì)嚴(yán)重夸大波面升高，但對(duì)波浪彎矩預(yù)報(bào)結(jié)果影響并不大；當(dāng)月池尺寸相對(duì)船體型值較大時(shí)，月池自由面耗散系數(shù)對(duì)波面升高及載荷的影響則需進(jìn)一步考察。

［1］ 劉建， 王世圣， 殷志明. FDPSO的應(yīng)用模式分析［C］//中海油研究總院.第九屆石油鉆井研究院所長(zhǎng)會(huì)議論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2010.

［2］ 張曉宇，胡開業(yè)，周雯雯.帶月池深海鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)性能分析［J］.船舶，2016（1）：29-36.

［3］ 徐賀，王璞，楊玥.考慮液艙內(nèi)部水動(dòng)力的FPSO波浪載荷研究［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 賀（1987-），男，碩士，助理工程師，研究方向：船體載荷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

王 璞（1977-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船體載荷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。低估船體的運(yùn)動(dòng)幅度。本文旨在尋找一種能夠合理計(jì)算帶月池船體波浪載荷的方法。