深水供應船耐波性及減搖效果研究

吳文成，鄒 康

（1. 中海油田服務股份有限公司船舶事業(yè)部，北京 101149；2. 上海船舶研究設計院，上海 201203）

深水供應船耐波性及減搖效果研究

吳文成1，鄒 康2

（1. 中海油田服務股份有限公司船舶事業(yè)部，北京 101149；2. 上海船舶研究設計院，上海 201203）

采用基于三維頻域勢流理論的數值計算方法，對某深水供應船運動性能進行了計算，并結合深水供應船的特點，選取相關安全作業(yè)和安全航行的耐波性運動衡準，分析了深水供應船的耐波性能。計算結果表明，該船能滿足7級風對應海況下的安全作業(yè)以及12級風對應海況下的安全航行要求。根據實際情況，采用勢流和黏性相結合的時域數值計算方法，對該船所配備的平面被動式減搖水艙的減搖效果進行了計算和評估，減搖水艙裝載率為60%艙高，在不規(guī)則波中進行計算，結果顯示該船在≤7級風對應海況作業(yè)時，有望獲得25%～44%的不規(guī)則波減搖率，艏斜浪下的減搖率較橫浪大，并且隨著波高的增加減搖率下降。該研究可為了解此類船舶的耐波性及減搖性提供參考。

深水供應船；耐波性；減搖水艙；減搖率評估

0 引 言

海洋作為全球油氣資源開發(fā)的新領域，已經成為全球油氣資源重要的接替區(qū)。而深水是當今世界油氣勘探開發(fā)的熱點，當前國際各大石油公司的新動向就是走出已經勘探較多的陸架海區(qū)，尋找深海海底的油氣藏。隨著海上石油開采不斷向深海進軍，使得海洋工程船舶必須經受更加惡劣海洋條件的考驗。因此其耐波性，特別是低航速和零航速作業(yè)工況下的耐波性備受關注。

以某深水供應船為研究對象，采用數值計算方法，結合其作業(yè)和航行特點以及相關運動衡準要求，對該船的耐波性進行計算和分析。另外，還對該船配備的減搖水艙減搖效果進行了計算和評估，以更全面了解該船的耐波性。

1 計算方法

采用三維線性頻域勢流理論進行耐波性計算，計算未考慮減搖水艙的影響。頻域方法的優(yōu)點是計算速度快，計算結果也令人滿意。在工程上應用非常廣泛［1］。

帶減搖水艙的船舶運動計算是采用基于三維時域勢流理論和黏流理論相結合的數值方法進行的。具體方法是：將船舶運動與減搖水艙內水體運動在時域內進行耦合求解，船舶運動作為減搖水艙運動的激勵輸入，而減搖水艙內水體在艙壁上產生的力/力矩則作為外力/力矩輸入船舶運動方程中求解，如此往復；其中，船舶運動采用三維線性時域勢流理論求解，減搖水艙內水體運動則采用基于RANS方程的CFD法進行，兩者在每一時間步內進行耦合求解［2］。

考慮到黏性對橫搖阻尼的影響以及阻尼的非線性特點，根據文獻［3］中所述半經驗的ITH法計算非線性橫搖阻尼系數并進行運動響應的預報。

2 研究對象

研究對象為一艘深水供應船，該船在船尾主甲板以下設置了一個平面被動式減搖水艙，水艙尺度為5.2m×20m×3m，艙內布置兩排圓柱形阻尼格柵。

船體主尺度和參數列于表1中。圖1為設計吃水耐波性計算船體面源網格。圖2為減搖水艙計算三維體網格。

表1　深水供應船主要參數 單位：m

圖1　耐波性計算船體面源網格（設計吃水）

圖2　減搖水艙計算三維體網格

3 計算結果與分析

3.1耐波性計算

對深水供應船在設計吃水（5.2m）和最大吃水（7.0m）下的運動響應作了計算，計算未考慮減搖水艙的影響，考慮水艙為排空狀態(tài)。由于供應船供應作業(yè)時通常為零航速，而在大浪中航行時，受增阻、上浪、槳出水等影響，無法以較高航速航行。因此，計算航速分別選取0kn和6kn，浪向為0～180°，間隔45°。不規(guī)則波中運動響應短期預報所選用的海況見表2，波浪譜選用ITTC雙參數譜。

表2　不規(guī)則波預報海況

通過計算，得到深水供應船不同工況下的運動響應幅值算子（RAO）曲線，繼而可預報不規(guī)則波海況下的運動響應值。圖3為部分零航速RAO曲線示例。表3～5列出了不規(guī)則波中運動響應單幅有義值預報結果，包括垂蕩、橫搖、縱搖艉部1站垂向加速度（艉加）、重心處垂向加速度（舯加）和艏部19站處垂向加速度（艏加）。

3.1.1沿海常見波高下運動性能

從表3、4可知，沿海常見波高下（1.5m），該船設計吃水和最大吃水下的橫搖單幅有義值的最大值均小于5.0°，縱搖單幅有義值的最大值均小于1.5°，運動性能良好。

3.1.2作業(yè)工況下運動性能

根據文獻［5］研究，作業(yè)工況下垂向加速度和橫搖單幅有義值衡準分別為2.94m/s2和12°。從計算結果可知，0航速下，有義波高≤4.0m（對應7級風）時，垂向加速度和橫搖單幅有義值的最大值分別為1.72m/s2和10.97°，計算結果表明該船在7級風對應海況下耐波性滿足相關作業(yè)衡準要求。

3.1.3大浪航行工況下運動性能

根據文獻［5］研究，考慮到操舵、觀察、航海作業(yè)等要求，艏部垂向加速度單幅有義值衡準為5.40m/s2。從計算結果來看，航速6kn時，艏部垂向加速度最大值為5.04m/s2，計算結果表明該船在12級風對應海況下的耐波性能滿足相關安全航行的衡準要求。

圖3　零航速不同浪向ARO

表3　不規(guī)則波運動單幅有義值預報結果（設計吃水）

表4　不規(guī)則波運動單幅有義值預報結果（最大吃水）

3.2減搖效果計算

對深水供應船不規(guī)則波中的減搖效果作了計算。其中，計算吃水為設計吃水，計算航速為零航速，水艙裝載率為60%液艙高度。計算直接在不規(guī)則波中進行，得到船舶在不規(guī)則波中的運動時歷，繼而分析各運動響應值。表5為減搖前后運動單幅有義值對比。其中減搖率的定義如下：

式中：φoff，φon——分別為減搖水艙開啟前后的橫搖運動單幅有義值。

從表5可知，減搖水艙對垂蕩和縱搖的影響不大，主要影響橫搖運動。就所計算的工況而言，艏斜浪135°的橫搖減搖率均大于橫浪 90°情況下的數值。此外，隨著有義波高的增加，橫搖減搖率下降，這主要是因為外部波浪擾動力增加以及減搖水艙運動的非線性特性影響所致。其中最大減搖率為有義波高1.5m，135°浪向，減搖率為44%，最小減搖率為有義波高4.0m，橫浪90°，減搖率為25%。

圖4、5為減搖前后的橫搖運動時歷對比曲線。圖6為有義波高4.0m時某時刻減搖水艙內液面形狀。

表5　減搖前后運動單幅有義值對比（設計吃水）

圖4　減搖前后橫搖運動時歷對比（有義波高=1.5m，跨零周期=6.0s，浪向=135°

圖5 減搖前后橫搖運動時歷對比（有義波高=4.0m，跨零周期=7.5s，浪向=90°）

圖6水艙自由液面形狀（有義波高=4.0m，跨零周期=7.5s，浪向=90°）

4 結 語

通過數值計算，研究了某深水供應船耐波性能及減搖水艙減搖效果，得到以下主要結論：

1） 該船滿足7級風對應海況下作業(yè)，以及12級風對應海況下安全航行的相關耐波性運動衡準要求；

2） 減搖水艙使用后，該船在7級風及以下風級對應海況作業(yè)時，有望獲得25%～44%的不規(guī)則波減搖率，隨著波高的增加，減搖率降低。

［1］ 李積德. 船舶耐波性［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，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］ 方鐘圣，等. 西北太平洋波浪統(tǒng)計集［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［5］ 戴仁元，等. 船舶耐波性評價方法與衡準［J］. 中國造船，1990（增刊1）： 175-180.

工藝與材料

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

吳文成，男，工程師，1963年生。1982年畢業(yè)于海洋石油學校輪機管理專業(yè)，現從事海洋石油支持船使用與技術研究工作。