半潛式平臺(tái)并靠水動(dòng)力載荷特性分析

丁凱　童波

摘 要：半潛式支持平臺(tái)可為生產(chǎn)平臺(tái)提供生活及工程方面的支持，以提高生產(chǎn)平臺(tái)的效率。而在靠泊時(shí)平臺(tái)間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的水動(dòng)力干擾，因此很有必要對(duì)平臺(tái)并靠泊時(shí)的水動(dòng)力載荷特性進(jìn)行分析研究。本文基于三維勢(shì)流理論，在頻域內(nèi)分別計(jì)算平臺(tái)單體以及兩平臺(tái)并靠的水動(dòng)力干擾，重點(diǎn)研究了平臺(tái)間距、浪向以及水動(dòng)力相互作用對(duì)各平臺(tái)水動(dòng)力載荷的影響，研究結(jié)果對(duì)平臺(tái)的靠泊作業(yè)有著指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：平臺(tái)靠泊;水動(dòng)力相互作用;一階波浪力;平均漂移力;遮蔽效應(yīng)

中圖分類號(hào)：U656.6? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）05-0043-05

半潛式支持平臺(tái)是為生產(chǎn)平臺(tái)服務(wù)的輔助平臺(tái)，可以提供給生產(chǎn)平臺(tái)更多的生活及工程方面的支持，使得生產(chǎn)平臺(tái)的生產(chǎn)效率得以提高，同時(shí)可給平臺(tái)上工作人員提供一個(gè)舒適的居住壞境。另外，生活平臺(tái)通過(guò)棧橋與生產(chǎn)平臺(tái)連接，將傳統(tǒng)生產(chǎn)平臺(tái)中的生活區(qū)與生產(chǎn)作業(yè)區(qū)分離出來(lái)，在生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)生重要事故等緊急情況下，人員可以從生產(chǎn)平臺(tái)撤離到支持平臺(tái)保證人員安全。

與平臺(tái)單體水動(dòng)力響應(yīng)不同的是，由于靠泊時(shí)兩個(gè)平臺(tái)通過(guò)棧橋連接在一起，一個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)受到另一個(gè)平臺(tái)的影響，同時(shí)，又會(huì)引起平臺(tái)間流場(chǎng)特性的改變，對(duì)另一個(gè)平臺(tái)的響應(yīng)產(chǎn)生干擾[2]。很多學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于多浮體水動(dòng)力響應(yīng)的研究，S.A. Sannasiraj等人[3]通過(guò)二維數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)了多浮體間的共振頻率點(diǎn)，并分析了浮體間的遮蔽效應(yīng)。Buchner[4]采用數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了雙船旁靠布置時(shí)多浮體間動(dòng)力響應(yīng)干擾問題。付強(qiáng)等[5]計(jì)算了旁靠系泊油船與FPSO頻域內(nèi)的水動(dòng)力相互作用，發(fā)現(xiàn)穿梭油船波浪力受影響較大，同時(shí)平均漂移力的相互影響主要集中在高頻段。周珂、胡志強(qiáng)等人[6]對(duì)不同浪向下雙船旁靠問題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水體共振加劇了浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并對(duì)浮體受到的平均波浪漂移力產(chǎn)生了較大的影響。

綜上可知，目前的研究工作一般是針對(duì)FPSO的外輸旁靠系統(tǒng)，而對(duì)于兩座半潛式平臺(tái)海上靠泊時(shí)的水動(dòng)力響應(yīng)問題研究很少。本文主要針對(duì)半潛式生活平臺(tái)與生產(chǎn)平臺(tái)靠泊狀態(tài)的浮體間水動(dòng)力特性展開研究。

1 計(jì)算方法

目前，多浮體系統(tǒng)受到的一階波浪載荷一般采用三維勢(shì)流理論進(jìn)行計(jì)算，總速度勢(shì)Ф可表示為：

式中：ω為入射波的頻率，?I、?D、?R分別為入射波速度勢(shì)、繞射波速度勢(shì)和輻射勢(shì)。

考慮多浮體A和B之間相互影響，單位簡(jiǎn)諧波作用下總的速度勢(shì)可以表示為：

式中：?Ia、?Ib表示浮體A和B的入射波速度勢(shì);?Daa、?Dba分別表示浮體A的繞射波速度勢(shì)以及浮體B的存在對(duì)浮體A繞射勢(shì)產(chǎn)生的影響，?Dbb、?Dab同理;?Riaa表示浮體A第i自由度的輻射勢(shì)，?Rjba表示浮體B第j自由度的運(yùn)動(dòng)對(duì)浮體A第i自由度輻射勢(shì)的影響，?Rjbb、?Riab同理;xia和xjb分別表示浮體A第i自由度的位移和浮體B第j自由度的位移。

對(duì)結(jié)構(gòu)物濕表面進(jìn)行離散，利用源匯分布法模擬流場(chǎng)，結(jié)構(gòu)物表面速度勢(shì)可以通過(guò)格林函數(shù)擬合得到[7]。之后由伯努利方程可以得到浮體濕表面的壓力分布如下：

式中：ρ為流體密度;P為單元上的動(dòng)壓力。

省略伯努利方程中的高階項(xiàng)，對(duì)浮體的濕表面進(jìn)行積分，則可求出作用在浮體上的一階波浪力。

通常計(jì)算平均波浪漂移力的方法有近場(chǎng)法和遠(yuǎn)場(chǎng)法。遠(yuǎn)場(chǎng)法計(jì)算較近場(chǎng)法簡(jiǎn)潔，但只能給出平均波浪漂移力中三個(gè)水平方向的分量[8]，并且在多體計(jì)算中，只能得到作用在兩個(gè)結(jié)構(gòu)上總的平均漂移力，而使用近場(chǎng)法則可以分別計(jì)算得到兩座平臺(tái)上6個(gè)自由度的平均波浪漂移力[9]，所以本文水動(dòng)力采用近場(chǎng)法計(jì)算。

2 水動(dòng)力計(jì)算模型

2.1平臺(tái)主尺度

半潛式生活平臺(tái)進(jìn)行靠泊時(shí)，通過(guò)棧橋與生產(chǎn)平臺(tái)連接。本文中棧橋的初始長(zhǎng)度為38.5m，故靠泊初始時(shí)兩平臺(tái)間距為38.5m左右，靠泊時(shí)兩座半潛式平臺(tái)的相對(duì)位置如圖1所示。

生活平臺(tái)向生產(chǎn)平臺(tái)靠泊進(jìn)行人員輸送一般都在良好的海況條件下進(jìn)行，所以本文只針對(duì)兩平臺(tái)的作業(yè)工況開展研究。兩平臺(tái)主尺度以及在作業(yè)工況下的吃水、排水量等信息如下表所示：

2.2水動(dòng)力計(jì)算模型

本文計(jì)算采用的生活平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)的濕表面橫、縱對(duì)稱，全局坐標(biāo)系原點(diǎn)位于生產(chǎn)平臺(tái)水平面中心位置，靠泊時(shí)兩平臺(tái)舷側(cè)相互平行，中心連線與Y坐標(biāo)軸重合。坐標(biāo)系及環(huán)境載荷方向定義如圖2所示。根據(jù)兩平臺(tái)外形尺寸，建立水動(dòng)力計(jì)算模型，如圖3所示。

3 平臺(tái)間距對(duì)浮體系統(tǒng)水動(dòng)力性能作用

本文中棧橋可以有±8m的伸縮量，所以分別選取30.5m、38.5m、46.5m進(jìn)行多體水動(dòng)力分析，并同平臺(tái)單體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。因?yàn)榭坎磿r(shí)，縱蕩、橫蕩以及艏搖三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致兩平臺(tái)相對(duì)位置發(fā)生較大變化，所以主要研究水動(dòng)力相互作用對(duì)這三個(gè)自由度波浪載荷的影響。

3.1平臺(tái)間距對(duì)浮體一階波浪力的影響

圖4為浪向角為0°時(shí)，生活平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)單體以及兩平臺(tái)間距為30.5m、38.5m、46.5m時(shí)縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的一階波浪力曲線。

由圖4可知，浪向角為0°時(shí)，平臺(tái)單體和考慮水動(dòng)力相互作用之后不同平臺(tái)間距時(shí)的縱蕩波浪力曲線差別均不大。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，平臺(tái)單體橫蕩和艏搖自由度所受一階波浪力幾乎為0，考慮兩平臺(tái)相互作用之后，波浪力曲線在周期20s以內(nèi)發(fā)生了很大變化，這是由于流場(chǎng)相互影響產(chǎn)生的平臺(tái)間隙水體振動(dòng)引起的，說(shuō)明間隙水體振動(dòng)的周期在20s以內(nèi)。考慮水動(dòng)力相互作用之后，不同間距對(duì)應(yīng)的兩平臺(tái)橫蕩和艏搖一階波浪力曲線同樣差別不大。

3.2平臺(tái)間距對(duì)浮體平均波浪漂移力的影響

對(duì)于油船旁靠情況，浮體間距較近時(shí)，水動(dòng)力相互干擾對(duì)平均波浪漂移力的影響程度要大于其它水動(dòng)力參數(shù)[10]。因而在兩平臺(tái)靠泊時(shí)，也很有必要研究水動(dòng)力相互作用對(duì)平均波浪漂移力的影響。

圖5為浪向角為0°時(shí)，生產(chǎn)平臺(tái)和生活平臺(tái)單體以及兩平臺(tái)間距為30.5m、38.5m、46.5m時(shí)縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的平均波浪漂移力曲線。

由圖5可知，波浪0°入射時(shí)，平臺(tái)單體和考慮水動(dòng)力相互作用之后不同平臺(tái)間距時(shí)的平均波浪漂移力曲線差別不大。橫蕩和艏搖方向的平均波浪漂移力曲線波動(dòng)明顯，且不同間距對(duì)應(yīng)的平臺(tái)橫蕩和艏搖自由度平均波浪漂移力曲線之間的差異大于一階波浪力曲線，平均波浪漂移力比一階波浪力對(duì)平臺(tái)間隙水體振動(dòng)更加敏感。由水動(dòng)力相互作用產(chǎn)生的兩平臺(tái)橫蕩和艏搖自由度的平均波浪漂移力在方向上具有對(duì)稱性，例如橫蕩自由度生產(chǎn)平臺(tái)受力為正值的周期段，生活平臺(tái)受力為負(fù)值。

4 波浪方向?qū)Ω◇w系統(tǒng)水動(dòng)力性能作用

本節(jié)對(duì)38.5m間距情況下，浪向角為90°、135°、180°、225°、270°時(shí)，兩平臺(tái)受到的一階波浪力和平均波浪漂移力進(jìn)行了分析。

4.1 波浪方向?qū)Ω◇w一階波浪力的影響

圖6為平臺(tái)間距38.5m時(shí)，生產(chǎn)平臺(tái)和生活平臺(tái)單體以及兩平臺(tái)在不同浪向條件下縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的一階波浪力曲線。

由圖6可知，90°、270°浪向以及135°、225°浪向下的一階波浪力曲線差別不大，這是由于兩平臺(tái)距離較遠(yuǎn)，遮蔽效應(yīng)不明顯造成的。90°、270°方向的波浪不能引起明顯的縱蕩和艏搖載荷，而180°方向的波浪卻能引起較為顯著的橫蕩和艏搖自由度的波浪力，這個(gè)規(guī)律在不同浪向的平均波浪漂移力曲線中也有體現(xiàn)，此種現(xiàn)象表明：

（1）縱浪比橫浪更容易引起兩平臺(tái)間明顯的水動(dòng)力相互作用;

（2）橫蕩和艏搖自由度的波浪載荷比縱蕩自由度更容易受到水動(dòng)力相互作用的影響。

以上現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與兩座半潛式平臺(tái)旁靠時(shí)沿縱向平行布置有關(guān)。首先波浪縱向入射時(shí)，平臺(tái)對(duì)波浪的散射作用會(huì)使另一平臺(tái)受到橫向載荷從而產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)間的縫隙內(nèi)入射波、繞射波和輻射波疊加，引起平臺(tái)長(zhǎng)度方向受力的不均勻，從而產(chǎn)生艏搖力矩。同時(shí)因?yàn)閮勺霛撌狡脚_(tái)主尺度不同，整個(gè)靠泊系統(tǒng)只關(guān)于Y軸對(duì)稱而不關(guān)于X軸對(duì)稱，系統(tǒng)的不對(duì)稱性會(huì)加劇橫向載荷和艏搖力矩的產(chǎn)生。平臺(tái)橫蕩、橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射波能量可以很大程度上傳遞到平臺(tái)間的縫隙內(nèi)，引起另一平臺(tái)的受力，而縱向運(yùn)動(dòng)的輻射波則不會(huì)對(duì)另一平臺(tái)產(chǎn)生很大影響。

4.2波浪方向?qū)Ω◇w平均波浪漂移力的影響

圖7為平臺(tái)間距38.5m時(shí)，生產(chǎn)平臺(tái)和生活平臺(tái)單體以及兩平臺(tái)在不同浪向條件下縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的平均波浪漂移力曲線。

由圖6和圖7可知，由于平均波浪漂移力對(duì)間隙水體振動(dòng)更為敏感，所以不同浪向角對(duì)應(yīng)的平均波浪漂移力曲線之間的差異比一階波浪力曲線要大。同時(shí)由于平均波浪漂移力具有方向性，所以90°和270°以及135°和225°兩組浪向下，平臺(tái)橫蕩和艏搖平均波浪漂移力的方向接近對(duì)稱。

5 結(jié)論

本文對(duì)兩平臺(tái)間水動(dòng)力相互作用以及平臺(tái)間距和波浪方向改變對(duì)每座半潛式平臺(tái)一、二階波浪載荷造成的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）因?yàn)閮善脚_(tái)靠泊時(shí)初始間距較大，約為半潛式平臺(tái)下浮體寬度的2倍，且±8m的間距增減沒有改變兩平臺(tái)初始間距較大的情況，所以在主要受力方向上兩平臺(tái)波浪載荷受平臺(tái)間距變化影響不大，兩平臺(tái)之間不存在明顯的遮蔽效應(yīng)。

（2）平臺(tái)受到的二階波浪載荷對(duì)間隙水體的振動(dòng)較為敏感，水動(dòng)力相互作用對(duì)平臺(tái)二階波浪載荷產(chǎn)生的影響要大于一階波浪載荷。

（3）由于兩平臺(tái)平行旁靠時(shí)的相對(duì)位置以及多浮體系統(tǒng)自身的對(duì)稱性，使得縱浪比橫浪更容易在兩平臺(tái)之間引起明顯的水動(dòng)力相互作用，間隙水體振動(dòng)對(duì)不同自由度波浪載荷的影響程度也不相同，橫蕩和艏搖自由度的波浪載荷比縱蕩自由度更容易受到水動(dòng)力相互作用的影響。

（4）兩平臺(tái)間隙水體振動(dòng)的周期小于20s，因?yàn)閷?shí)際海域中波浪周期一般都在20s以內(nèi)，所以考慮兩平臺(tái)水動(dòng)力相互作用是必要的。

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