渤海海域軟剛臂系泊核動力平臺水動力分析

章紅雨，梁雙令，齊江輝，鄭亞雄

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

海洋核動力平臺是搭載有核動力裝置的非自航船式浮動平臺，長期單點系泊于渤海指定作業(yè)海域，可根據(jù)用戶需要提供電能和淡水。

海洋核動力平臺搭載核動力裝置，不僅需要滿足用戶不間斷能源供應(yīng)需求，同時還要保證核安全要求。因此海洋核動力平臺的設(shè)計重現(xiàn)期比同樣采用單點系泊型式的FPSO高，對船體的穩(wěn)性要求更高，抗風(fēng)浪能力更強。

FPSO是海洋油氣開發(fā)中應(yīng)用最廣泛的海洋工程裝備，例如作業(yè)于渤海海域的“明珠”號和“長青”號，采用塔架軟剛臂單點系泊裝置系泊，使得FPSO具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，能使FPSO處于風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境聯(lián)合作用下，位于最小環(huán)境力的位置上[1]。

本文針對1艘作業(yè)于渤海海域的海洋核動力平臺，采用數(shù)值方法對平臺的耐波性進行計算，并結(jié)合模型試驗結(jié)果，對比數(shù)值計算與試驗數(shù)據(jù)的頻域和時域結(jié)果。

1 理論概述

平臺頻域運動方程為：

式中： M 為平臺的質(zhì)量矩陣； Ma為附加質(zhì)量矩陣；B 為阻尼系數(shù)； K 為靜水力剛度矩陣； F為波浪力。時域運動方程為：

式中：K(t)為時延函數(shù)；Fw(t)， Fwind(t)， Fcur(t)和Fm(t)分別為一階波浪力，風(fēng)力，流力和系泊力[2]。

依據(jù)API RP 2SK[3]規(guī)范采用模塊法計算風(fēng)力和流力[3]。風(fēng)力計算公式為：

式中： Cw為風(fēng)力系數(shù)，0.615 N·s2/m4； Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)； Aw為迎風(fēng)面積； Vz為海平面上10 m處的平均風(fēng)速。

流力計算公式為：

式中：為設(shè)計流速；為流力系數(shù)，515.62 N·s2/m4；為拖曳力系數(shù)；為水線以下沿流向的投影面積。CdAc

2 計算條件

2.1 平臺參數(shù)

模型試驗與數(shù)值計算分別選取了2種典型的裝載工況，即壓載工況和滿載工況。平臺主尺度和2種載況下的主要參數(shù)如表1所示。

表1 平臺主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of FPSO

2.2 環(huán)境條件

時域計算工況分為作業(yè)工況與自存工況，作業(yè)工況為船上設(shè)備保持作業(yè)狀態(tài)時能夠承受的最惡劣工況，自存工況為在該工況下保證平臺總體安全和船上設(shè)備不損壞[4]，環(huán)境條件如表2所示。

表2 環(huán)境條件Tab. 2 Environmental conditions

風(fēng)浪流不同方向的組合對平臺的運動性能影響很大。平臺運動的最大值可能出現(xiàn)在：風(fēng)、浪同向，流與風(fēng)、浪成 0°，30°，45°或 90°角；風(fēng)、浪同向且無流；浪、流同向，風(fēng)與浪、流成30°，45°或90°角。一般情況下，取風(fēng)與浪同向，流與風(fēng)浪成0°，30°，45°和90°角為基本工況，再增加無流且風(fēng)與浪同向和浪與流同向、風(fēng)與浪流成某一夾角2種工況。因此，模型試驗與數(shù)值計算中風(fēng)浪流方向組合如表3所示。

表3 風(fēng)浪流方向組合Tab. 3 Directions combinations of wind, wave and current

3 數(shù)值計算

3.1 頻域計算模型

平臺試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，由4根水平放置的帶有彈簧的軟繩系泊，以提供足夠大的縱蕩、橫蕩和首搖固有周期，這樣既可以把平臺模型限制在一定的運動范圍內(nèi)，又不影響平臺的波頻運動。數(shù)值計算水動力網(wǎng)格如圖2所示。

3.2 時域計算模型

塔架軟剛臂單點系泊系統(tǒng)由系泊塔架、旋轉(zhuǎn)接頭、系泊機構(gòu)和平臺支撐結(jié)構(gòu)4部分組成。該裝置適用于淺水海域，如渤海海域。模型試驗和數(shù)值計算中時域模型分別如圖3和圖4所示，平臺由單點系泊裝置系泊，并由軟鋼臂的配重提供系泊恢復(fù)力。

圖1 模型試驗頻域模型Fig. 1 Frequency domain model of model test

圖2 數(shù)值計算頻域模型Fig. 2 Frequency domain model of numerical calculation

圖3 模型試驗時域模型Fig. 3 Time domain model of model test

圖4 數(shù)值計算時域模型Fig. 4 Time domain model of numerical calculation

4 計算結(jié)果

4.1 頻域計算結(jié)果

數(shù)值計算采用三維勢流理論，波浪頻率范圍選取0.2～1.2 rad/s，步長 0.05 rad/s，浪向角選取 0°～180°，步長15°。為了提高試驗效率，模型試驗只針對典型波浪頻率和浪向角進行單位規(guī)則波頻域試驗。由2種方法計算得到的平臺在壓載狀態(tài)下的RAO曲線如圖5～圖7所示，在滿載狀態(tài)下的RAO曲線如圖8～圖10所示。

4.2 時域計算結(jié)果

模型試驗和數(shù)值計算得到平臺時域運動的時歷曲線，提取運動的有義值和最大值（見表4～表7）。有義值為所有最大幅值按絕對值從大到小按序排列，對前1/3最大幅值取平均值。最大值采用Weibull分布進行統(tǒng)計，得到累計概率為99.9%時對應(yīng)的幅值。

圖5 浪向角為90°時的橫搖RAOFig. 5 Roll RAO in 90° wave direction

圖6 浪向角為180°時的縱搖RAOFig. 6 Pitch RAO in 180° wave direction

圖7 浪向角為180°時的升沉RAOFig. 7 Heave RAO in 180° wave direction

圖8 浪向角為90°時的橫搖RAOFig. 8 Roll RAO in 90° wave direction

圖9 浪向角為180°時的縱搖RAOFig. 9 Pitch RAO in 180° wave direction

圖10 浪向角為180°時的升沉RAOFig. 10 Heave RAO in 180° wave direction

表4 壓載工況有義值統(tǒng)計Tab. 4 Significant values in ballast condition

表5 壓載工況最大值統(tǒng)計Tab. 5 Maximum valuesin ballast condition

表6 滿載工況有義值統(tǒng)計Tab. 6 Significant valuesin full load condition

4.3 結(jié)果分析

對比由數(shù)值計算與模型試驗2種方法計算得到的頻域RAO結(jié)果可知：

1）由2種方法計算得到的RAO曲線吻合較好；

2）數(shù)值計算由于選取波浪頻率較密，得到的RAO曲線更加光順；

表7 滿載工況最大值統(tǒng)計Tab. 7 Maximum values in full load condition

3）由于選取頻率較少或外界環(huán)境等因素，模型試驗結(jié)果出現(xiàn)折線起伏。

對比在不同風(fēng)浪流方向組合工況下的時域運動統(tǒng)計結(jié)果可知：

1）與模型試驗結(jié)果相比，數(shù)值計算結(jié)果在垂蕩、橫搖和縱搖運動統(tǒng)計值上相對較??；

2）由2種方法計算得到的運動統(tǒng)計值在不同風(fēng)浪流方向組合工況下的大小趨勢相同；

3）在極端惡劣海況下，平臺未出現(xiàn)穩(wěn)性喪失，安全性能夠得到滿足。

5 結(jié) 語

本文通過數(shù)值計算和模型試驗對由單點系泊裝置系泊的核動力平臺的水動力運動性能進行分析。結(jié)果表明，由2種方法計算得到的頻域和時域結(jié)果相近，相互驗證了2種方法的正確性，可為核動力平臺的設(shè)計提供有力的支撐。