超大型海上油田一體化拆解裝備水動(dòng)力研究

王德興 廖佩詩(shī) 戴 昆 劉 蓉 王新航

（青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

船舶的水動(dòng)力性能是船舶的重要性能之一，對(duì)船舶的各個(gè)方面都有一定的影響。船舶在航行時(shí)，會(huì)受到一定的風(fēng)浪作用，當(dāng)受到的風(fēng)浪作用較大時(shí)，會(huì)對(duì)其安全性能造成影響。近年來(lái)，對(duì)海洋資源的勘探以及開(kāi)采活動(dòng)越來(lái)越多，海難事故也接連不斷地發(fā)生，為了保證船舶的正常作業(yè)、船上人員的舒適度以及船舶的安全性，讓船舶擁有良好的水動(dòng)力性能是重中之重。

該文研究目標(biāo)為全球首制的超大型海上油田設(shè)施一體化拆解裝備，該裝備由2 艘起重船和1 艘半潛運(yùn)輸船組成。當(dāng)3 艘船并排作業(yè)時(shí)，其水動(dòng)力特性較為復(fù)雜，為滿足多船協(xié)同動(dòng)力定位、自動(dòng)化控制及在惡劣海況中作業(yè)等需求，需要對(duì)多船并排作業(yè)時(shí)半潛式運(yùn)輸船的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究。

該文基于三維勢(shì)流理論[1]對(duì)拆解裝備中的半潛式運(yùn)輸船進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，通過(guò)三維建模軟件建立3 艘船及海洋平臺(tái)的模型，使用水動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)船舶進(jìn)行水動(dòng)力分析，得到半潛式運(yùn)輸船在不同間距、不同吃水深度下的水動(dòng)力頻域變化特性，為設(shè)計(jì)多船并排作業(yè)方案提供了一定的參考[2]。

1 理論公式

根據(jù)以往大量的船模試驗(yàn)以及實(shí)船測(cè)量結(jié)果可以看出，大幅波浪中的船體搖蕩運(yùn)動(dòng)和船舶受到的波浪載荷的非線性特征突出，這是受到船體非直壁結(jié)構(gòu)形式以及劇烈波浪砰擊等因素影響的結(jié)果。由于三維水動(dòng)力分析方法得到的結(jié)果更接近于實(shí)際，因此該方法越來(lái)越受到人們的重視。

1.1 運(yùn)動(dòng)方程

在水動(dòng)力的理論研究中，通常假定流體是無(wú)黏、無(wú)旋和不可壓縮的理想流體。在給定邊界條件和初始條件時(shí)速度勢(shì)函數(shù)?（x，y，z）滿足拉普拉斯方程，如公式（1）所示。

式中：x、y和z為自變量；?為速度。

浮體在靜水自由表面上做6 個(gè)自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，一階不定常速度勢(shì)?滿足其他條件，以確保聯(lián)立的方程能夠得到定解。

在自由表面如公式（2）所示。

式中：g為重力加速度；t為時(shí)間。

濕表面條件，如公式（3）所示。

式中：U為濕表面某處速度；n為濕表面某處法線方向。

海底邊界條件，如公式（4）所示。

式中：Z為深度；H為海底距水平面距離。

無(wú)窮遠(yuǎn)處邊界條件，如公式（5）所示。

式中：R為空間一點(diǎn)到分析處的距離；i為有限水深波速系數(shù)；k為有限水深波速。

可以認(rèn)為總速度勢(shì)是由入射波速度勢(shì)、繞射速度勢(shì)和幅射速度勢(shì)組成，如公式（6）所示。

式中：?I為入射波速度勢(shì)；?D為繞射速度勢(shì)；ω為入射角頻率；ξj為任意處的波形方程；?Rj為任意處的速度勢(shì)。

1.2 附加質(zhì)量

如果使質(zhì)量為m的船體在水中獲得加速度a，由于水對(duì)船體有反作用力，因此作用在船體上的力F要大于ma，如公式（7）、公式（8）所示。

式中：λ為該船體的附加質(zhì)量；-λa為附加慣性力。

將-λa改寫為λdV/dt，V=V（t）是船體的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)理想流體來(lái)說(shuō)，在dt的時(shí)間內(nèi)船體運(yùn)動(dòng)所做的功全部轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能dT，如公式（9）所示。

積分如公式（10）所示。

同時(shí)空間中流體的動(dòng)能，如公式（11）所示。

式中：ρ為流體密度；v為流體速度；t為時(shí)間。

由于是理想的不可壓縮無(wú)旋的流體，因此必然存在速度勢(shì)?，根據(jù)高斯定理即可得到公式（12）。

式中：S為濕表面面積。

令?=V（t）?0，則有公式（13）。

將公式（13）和公式（10）比較得到附加質(zhì)量的公式，如公式（14）所示。

2 船舶與平臺(tái)系統(tǒng)仿真模型

該項(xiàng)目水動(dòng)力學(xué)仿真主要模擬當(dāng)2 艘運(yùn)輸船被托舉至被拆解平臺(tái)、運(yùn)輸船行駛至2 艘起重船中間時(shí)，運(yùn)輸船的水動(dòng)力學(xué)特性。起重船及運(yùn)輸船的主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶主尺度參數(shù)

拆解作業(yè)裝備及平臺(tái)整體仿真模型如圖1 所示。整體模型由左右2 艘起重船、中部運(yùn)輸船及待拆解平臺(tái)組成，2 艘起重船上的舉升臂夾緊被拆解平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的托舉，運(yùn)輸船主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)被拆解后的廢棄平臺(tái)。

圖1 水動(dòng)力學(xué)仿真模型

該文共設(shè)置2 種浪向（如圖2 所示），當(dāng)浪向?yàn)?°時(shí)，分析計(jì)算縱搖、縱蕩以及垂蕩方向RAO 的曲線；當(dāng)浪向?yàn)?0°時(shí)，分析計(jì)算橫搖、橫蕩以及垂蕩方向RAO 的曲線。

圖2 波浪方向示意圖

3 半潛式運(yùn)輸船水動(dòng)力仿真

在該文所研究的拆解裝備中，半潛式運(yùn)輸船位于2 艘起重船的中間位置，由于3 艘船舶在作業(yè)時(shí)距離較近，半潛式運(yùn)輸船受起重船的影響較大，因此對(duì)中間半潛式運(yùn)輸船水動(dòng)力性能的研究至關(guān)重要。該文通過(guò)設(shè)置不同的起重船與半潛式運(yùn)輸船的作業(yè)間距以及不同的吃水深度等一系列工況，對(duì)不同工況下半潛式運(yùn)輸船的水動(dòng)力特性進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 附加質(zhì)量與RAO

船舶在水面上做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)船舶的力既要為船舶增加的動(dòng)能做功，也要為周圍水面增加的動(dòng)能做功；因此如果船舶需要得到加速度，那么施加在船舶上的力必定大于船舶質(zhì)量與加速度的乘積，增加的這部分質(zhì)量即為附加質(zhì)量。船舶的外形與運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)影響到船舶的附加質(zhì)量。

幅值響應(yīng)算子 RAO（response amplitude operator）是輸出與輸入幅值比的平方，其本質(zhì)是波浪到船體運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)[3]。

3.2 作業(yè)間距對(duì)運(yùn)輸船水動(dòng)力的影響

由于3 艘船舶的尺度較大，左右兩邊的起重船會(huì)對(duì)中間的運(yùn)輸船產(chǎn)生一定的遮蔽效應(yīng)[4]，且在3 艘船并排作業(yè)時(shí)，3 艘船舶之間的距離較近，水動(dòng)力相互作用的效果便更加明顯。因此該文選取3 種不同作業(yè)間距（1.5 m、2.5 m 以及3.5 m），對(duì)其運(yùn)輸船附加質(zhì)量及RAO（響應(yīng)幅值算子）進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1 作業(yè)間距對(duì)船舶附加質(zhì)量的影響

不同間距對(duì)半潛式運(yùn)輸船附加質(zhì)量的影響如圖3 所示。由計(jì)算結(jié)果可以得到：1）改變作業(yè)間距對(duì)縱蕩方向的附加質(zhì)量影響較小。2）改變間距對(duì)橫蕩、橫搖以及縱搖方向的附加質(zhì)量有明顯影響，間距為2.5 m 時(shí)附加質(zhì)量較大。3）改變間距對(duì)垂蕩、首搖方向的附加質(zhì)量有明顯影響，間距為1.5 m時(shí)附加質(zhì)量較大。4）當(dāng)頻率為1.0 rad/s～1.4 rad/s 時(shí)，不同作業(yè)間距的模型附加質(zhì)量結(jié)果差距較大，在其他頻率范圍時(shí)差距較小。

圖3 不同間距時(shí)附加質(zhì)量曲線

3.2.2 作業(yè)間距對(duì)船舶RAO 的影響

圖4 和圖5 分別為船舶在0°和90°入射波時(shí)，不同作業(yè)間距下半潛式運(yùn)輸船的RAO 對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果可以得到：1）改變間距對(duì)各個(gè)方向RAO 影響很小。2）當(dāng)頻率為1.2 rad/s～1.4 rad/s 時(shí)，不同間距的附加質(zhì)量有一點(diǎn)差距，在其他頻率范圍時(shí)差距較小。

圖4 不同間距時(shí)RAO 曲線（0°浪向）

圖5 不同間距時(shí)RAO 曲線（90°浪向）

3.3 吃水深度對(duì)運(yùn)輸船水動(dòng)力的影響

當(dāng)船舶作業(yè)時(shí)，不同吃水深度下船舶水動(dòng)力特性也不同。該文對(duì)作業(yè)間距為2.5 m 時(shí)的船舶設(shè)置了3 種不同吃水深度（11 m、13 m 以及15 m），分別對(duì)其水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。對(duì)比分析不同吃水深度對(duì)半潛式運(yùn)輸船水動(dòng)力特性的影響。

3.3.1 吃水深度對(duì)船舶附加質(zhì)量的影響

不同吃水深度對(duì)半潛式運(yùn)輸船附加質(zhì)量的影響如圖6所示。由計(jì)算結(jié)果可以得到：1）改變吃水深度對(duì)各個(gè)方向附加質(zhì)量均有一定影響，且當(dāng)頻率為0.8 rad/s～1.4 rad/s 時(shí)，附加質(zhì)量變化較大。2）橫蕩、橫搖方向的附加質(zhì)量在吃水深度為13 m 時(shí)較大。3）縱蕩以及垂蕩以及縱搖方向的附加質(zhì)量在吃水深度為15 m 時(shí)較大。4）隨著頻率的增大，各個(gè)方向附加質(zhì)量逐漸平穩(wěn)。

圖6 不同吃水深度時(shí)附加質(zhì)量曲線

3.3.2 吃水深度對(duì)船舶RAO 的影響

圖7 和圖8 分別為船舶在0°和90°入射波時(shí)，不同吃水深度下半潛式運(yùn)輸船的RAO 對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果可以得到：1）改變吃水深度對(duì)縱蕩和0°入射波下垂蕩方向的RAO 影響極小，對(duì)其余方向的RAO 值有一定影響。2）縱蕩方向的RAO 在吃水深度為11 m 時(shí)較大。3）橫蕩，橫搖和90°入射波下垂蕩方向的RAO 在吃水深度為15 m 時(shí)RAO 值較大。4）當(dāng)頻率為0.4 rad/s～0.6 rad/s 以及1.0 rad/s～1.4 rad/s 時(shí)，RAO變化幅度較大。

圖7 不同吃水深度時(shí)RAO 曲線（0°浪向）

圖8 不同吃水深度時(shí)RAO 曲線（90°浪向）

4 結(jié)語(yǔ)

該文利用水動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)三船并排作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力特性做初步的對(duì)比分析，研究了不同作業(yè)間距，不同吃水深度對(duì)其水動(dòng)力特性的影響，綜上分析數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：1）三艘船之間的間距以及船舶的吃水深度均會(huì)對(duì)船舶的水動(dòng)力特性產(chǎn)生影響。2）不同的船舶間距對(duì)各個(gè)自由度的附加質(zhì)量有一定影響，但隨著間距的增大，波浪周期對(duì)運(yùn)輸船附加質(zhì)量影響較小。不同間距對(duì)船舶的RAO 值整體影響不大，在中頻段會(huì)有一定的變化，達(dá)到高頻段后，RAO 值變化趨勢(shì)基本一致。3）不同吃水深度對(duì)半潛式運(yùn)輸船附加質(zhì)量的影響很大，吃水越深附加質(zhì)量的峰值越大。吃水深度對(duì)半潛式運(yùn)輸船的RAO 影響不大，在中頻段會(huì)有一定的變化，達(dá)到高頻段后，RAO 值變化趨勢(shì)基本一致。