海洋石油201船與Spar平臺靠近作業水動力分析

2020-05-05 03:00:04匡楊李啟寶秦立成張博文王振興

山西建筑 2020年9期

匡楊李啟寶秦立成王燕張博文李鵬王振興

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 概述

隨著海洋油氣資源開發利用的工程實現方式不斷更新，多個浮體近距離作業模式越來越多的得到應用。例如：穿梭油輪和FPSO旁靠輸油作業，海上平臺吊裝作業等。靠近作業浮體之間由于搖蕩運動興波而存在相互干擾，在有入射波浪情況下，多浮體之間存在繞射波的相互干擾。因此，近年來，針對多浮體之間水動力相互干擾作用開展研究成為海洋工程技術開發的關鍵。本文計算了海洋石油201船和Spar平臺的水動力脈沖響應函數特性，由傅里葉變換給出頻域水動力學系數，計算結果和Hydrostar水動力分析軟件結果吻合很好。在此基礎上，對海洋石油201和Spar海洋平臺組成的多浮體系統，求解時域水動力脈沖響應特性，為時域運動模擬作好準備。

2 頻域水動力求解方法

勢流理論中在簡諧波浪零航速的N個穩態搖蕩運動浮體之間的水動力的干擾，可以將其中一個浮體m表面上的速度勢分解為流場擾動速度勢貢獻求和作用，是由多個浮體系統中每個浮體的運動所有模態運動引起的。

速度勢可分解為：

(1)

物面邊界條件在繞射勢浮體m上的為：

(2)

其中，n為指向流場內部。

3 時域水動力分析方法

在上一節中，討論的是頻域穩態解。為了考慮多浮體在環境載荷的作用下呈現出的瞬態動力響應，必須采用時域分析，這樣可以給出多浮體水動力特性隨時間的變化情況，即多體干擾的記憶效應特性。

(3)

其中，p為壓強，t為時間。

由線性伯努利方程可以得到，浮體m受到水動力Fm的第k個分量為：

(4)

4 半解析數值解法

(5)

將ω∈(0,ω)分為N+1個子區域，如(ωn,ωn+1)和(ωn+1，∞),n=1,2,…，N。可以得到:

(6)

參考Cao(2008)[11]介紹的半解析方法，對阻尼曲線前一段作線性化假設，則:

(7)

其中:

(8)

(9)

所以，脈沖響應函數在每個小區間上可以寫成：

(10)

對阻尼曲線后一段接近為指數衰減，則:

(11)

所以，

(12)

5 數值結果及討論

本文首先選取單體海洋石油201船為例，海洋石油201船是我國第一艘深水起重鋪管船，具有DP3動力定位系統的能力，全船采用全電力推進的推進器，共7個，具有抵抗惡劣海況的能，不需要系泊進行海洋作業，其起吊能力達到4 000 t，海洋石油201船長達到204.65 m，型寬為39.2 m，型深為14 m，具有3 000 m水深作業能力。Hydrostar軟件由法國船級社陳曉波博士主持開發，它具有20多年的應用歷史，是用于水動力計算的功能強大的軟件。它可用于計算結構與波浪之間的耦合效應。在計算中，考慮了波浪，流動載荷，風載荷，多個物體之間的結構耦合以及內部流體運動和前進速度的影響。一階波浪力，速度，加速度，波浪感應運動和相對運動的計算和分析可以在Spar平臺，船舶，張力腿平臺和半潛式平臺上進行。本文使用Hydrostar水動力分析軟件來計算海石油201船的頻域響應，然后采用半解析法在時域上計算海洋石油201的脈沖響應函數。對數值結果進行比較和分析，以驗證計算方法的可行性和正確性。海洋石油201船和Spar平臺的水動力參數如表1所示。

同理，在此基礎上，選取海洋石油201和Spar平臺組成多浮體系統，分別計算兩者間距為5.3 m，11.3 m和105.3 m情況下，它們在時域中的脈沖響應函數，并通過對不同間距和單體情況下，數值結果的比較和分析，給出多浮體水動力特性隨時間的變化，即多體干擾的記憶效應特性。說明多浮體之間時域水動力相互作用的特點及重要性。

用ηj表示浮體六個自由度的運動模態，其中j=1,2,…,6表示海洋石油201六個自由度的運動狀態，分別是橫蕩、縱蕩、垂蕩、艏搖、縱搖和橫搖；j=7,8,…,12表示Spar海洋平臺六個自由度的運動模態，分別是縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。

海洋石油201和Spar平臺的主尺度如表1，表2所示。