FSRU码头系泊模型实验与数值模拟研究_周宏康

性能受其水动力性能影响较大。 因此对 FSＲU 及其系泊系统进行恶劣环境条件下的水动力耦合分析， 对 FSＲU的设计工作具有重要意义。 目前国内外关于 FSＲU 码头系泊的研究成果尚不多见。 Cho 等 究了 FSＲU 与 LNG 船旁靠时液体晃荡带来的影响； Kim 等 作了 FSＲU 的码头系泊系统的多方案对比研究； 赵文华
Parameters of ocean environment
－1 流速 / （ m·s ）
－1 风速 / （ m·s ）
有义波高 / m 3 0．046 9
谱峰周期 / s 9．3 1．162 5
21 2．625
1．1 0．137 5
1．4
系泊系统
系泊系统由 8 组系泊缆绳和 4 个橡胶靠垫组成， 每组系泊缆由 3 根破断强度为 177 Mt 的缆绳组成， 图1 － － FSＲU 与码 为系泊方案。从船首到船尾， 系泊缆分别编号为 1 8 号， 靠垫分别编号为 1 4 号。 考虑到 LNG头之间同组的 3 根系泊缆角度相近、 长度和轴向刚度相同， 因此可以将每组系泊缆简化为 1 根。实验使用非 线性弹簧串联组合对系泊缆进行模拟 ， 图 2 是系泊缆绳的力学性能曲线（ 含单根系泊缆和 3 根系泊缆等效系 泊缆） ； 使用非线性弹簧并联组合来模拟靠垫 ， 图 3 是靠垫的力学性能曲线。
摘
要：FSＲU 在恶劣环境条件下的作业和安全停靠性能与系泊缆张力 、 靠垫挤压应力、 船体 6 自由度运动等参数有关 。 针对
FSＲU 码头处海洋环境条件， 进行 FSＲU 不同装载状况的模型实验， 获得 FSＲU 的 6 自由度运动及其系泊载荷的动力特性 。 基 于三维辐射和绕射理论， 使用 Sesam 软件进行频域计算， 以此为基础在相应海洋环境条件下进行时域耦合分析， 获得 FSＲU 6 自由度运动、 系泊载荷、 靠垫应力等参数的响应时历 。结果表明： 30% 装载、 横浪条件下 FSＲU 的运动响应最大， 系泊缆张力未 靠垫压力超过其压缩 60% 时的载荷； 模型实验对 FSＲU 运动响应和系泊缆张力的预测结果可信， 靠垫受力情况需 达到破断值， 要数值仿真进行辅助研究 。 关键词：FSＲU； 码头系泊； 6 自由度运动； 系泊载荷； 靠垫应力 中图分类号：P751 文献标志码：A DOI：10．16483 / j．issn．10059865．2017．01．002
天然气作为一种安全高热清洁能源 ， 在经济可持续发展、 生态环境建设、 能源结构转型等方面有着巨大 作用。由于国内天然气产量不足， 每年我国大量进口天然气， 通过 LNG 运输船将超低温液化天然气运回国 FSＲU 是天然气的海上浮式储存和再气化装置 （ floating storage and regasification unit， 内。LNG简称 FSＲU ） ， ［1 ］ 主要功能是接收、 储存和再气化 LNG， 将气化天然气通过海底管线输送上岸 ， 为电厂和普通用户供气 。 自 2005 年来， FSＲU 建成使用， 全球数个城市（ 包括中国天津市） 已有 LNG目前运营良好。 与传统陆地 LNG 接 ［2 ］ FSＲU 具有投资小、 收站相比， 建设周期短、 灵活性高、 适应大型城市天然气供给等优点 。
第1期
周宏康， 等： FSＲU 码头系泊模型实验与数值模拟研究
13
FSＲU 由系泊系统与码头相连， FSＲU 与 正常状况下， 进行 LNG 的储存、 再气化和输出工作； 卸料时，
［3 ］ LNG 并联连接， FSＲU 单独系泊的作业和安全 通过卸料臂或者卸料软管将 LNG 接收卸载 。 某些海况下，
Experimental and numerical researches for a dock mooring FSＲU
ZHOU Hongkang，LI Xin，YANG Jianmin，LUO Yong
（ State Key Laboratory of Ocean Engineering，Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and DeepSea Exploration，Shanghai 200240，China）
表1 Tab． 1 项目 线尺度 线速度 线加速度 角度 角速度 符号 Ls / Lm Vs / Vm as / am s / m ' s / ' m λ 模型与实船各种物理量之间的转换关系 Transformation relationship between prototype and its model 缩尺比 λ λ
以下部分的加工误差不超过 1 mm， 吃水误差不超过 1 mm， 满足 ITTC 规定。表 2 为 FSＲU 实船与模型主尺度。
表2 Tab． 2 项目 全长 垂线间长 船宽 主甲板高 上层甲板高 排水量 设计吃水 单位 m m m m m Mt m FSＲU 主尺度及主要参数 Main parameters of FSＲU 实际值 341．6 336 58 27．534 35．2 194 363．4 11．44 模型值 5．337 5 5．25 0．906 3 0．430 2 0．55 0．723 3 0．178 8
14 1．3
海
洋
工
程
第 35 卷
海洋环境条件 FSＲU 码头处的风浪流等环境条件采用给定的该地一年一遇海况并结合设计规范得到的风浪流条件 。
表3 Tab． 3 项目 实际值 模型值 水深 / m 30 0．469 海洋环境参数
海洋环境主要参数如表 3 所示， 其中风向为 90° ， 流方向为 45° ， 波浪为 JONSWAP 谱， 谱形参数 3．3。
［8 ］ ［6 ］ ［45 ］
通过模型实验和水动力耦合模拟研
［7 ］
作了 FSＲU 系泊系统的疲劳寿命分析； 江涛等
通过模型实验研究了双船旁靠时的船体水动力性能。
本文研究了某正进行设计的一艘 FSＲU 的码头系泊情况， 通过模型实验和数值模拟两种方法 ， 取得了一 定成果。
1
1．1
模型实验
相似法则
海洋结构物在波浪中运动的相似问题 ， 通常忽略黏性影响， 保持模型与实体之间傅汝德数和斯特劳哈尔 即满足重力相似和惯性相似， 以及运动和受力的周期性相似： 数相等， Vm gL m 槡 = Vs gL s 槡 ， Vm Tm Lm = Vs Ts Ls （ 1）
图1 Fig． 1
FSＲU 系泊方案
Mooring system of FSＲU
图2 Fig． 2
系泊缆绳力学性能曲线 Fig． 3
图3
靠垫力学性能曲线
Force elongation characteristics of mooring line
Force elongation characteristics of fender
0112 收稿日期：2016《浮式液化天然气储存及再气化装置（ LNGFSＲU） 总体设计关键技术研究》 基金项目：工信部 资助项目 ）， 作者简介：周宏康（ 1990男， 河南驻马店人， 硕士研究生， 主要从事浮托安装实测系统和海洋结构物水动力性能方面研究。 Email： zhhkang@ sjtu．edu．cn
第 35 卷第 1 期 2017 年 1 月 9865（ 2017） 0100120程 THE OCEAN ENGINEEＲING
Vol． 35 No． 1 Jan． 2017
FSＲU 码头系泊模型实验与数值模拟研究
周宏康， 李 欣， 杨建民， 罗 勇
200240） （ 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 ， 上海
1/2
项目 周期 面积 体积 惯性矩 力
符号 Ts / Tm As / Am Δs / Δm Is / Im Fs / Fm
缩尺比 λ
1/2
λ λ λ
2
1 1
－1 / 2
3
5
γλ
3
1．2
FSＲU 模型制作 FSＲU 模型根据给定型线图加工而成， 主体材料为木质， 外敷玻璃钢， 液舱材料为有机玻璃， 模型水线面
1．5
实验内容
模型实验在海洋工程水池完成， 水池的主要尺度为 50 m × 30 m × 6 m （ 长 × 宽 × 深） ， 可以模拟风、 浪、 流各 种海洋环境条件并能根据实验要求改变水深 。本文使用码头为高桩码头， 上部高出水面， 下部为金属网架结 ， ， 。 构 波浪和水流可在码头平面以下通过 因此可以忽略波浪反射 实验分别进行了静水衰减实验、 白噪声实 45° 、 90° 、 135° 和 180° 浪向和压载、 10% 装载、 30% 装载、 50% 装载、 70% 验和风浪流联合实验。实验工况为 0° 、 30% 、 50% 、 装载和满载的正交组合。FSＲU 压载和 FSＲU 满载时采用固体代替液体进行装载， 装载为 10% 、 70% 时采用淡水代替 LNG 进行装载。由于 LNG 密度与水密度相差较大， 50% 、 70% 装载时， 在 30% 、 对液舱 进行内部垫高处理， 在保证重量、 重心、 惯性半径等参数不变的前提下， 满足实验和实际液面高度对应。实验 的主要测量内容包括 FSＲU 在各工况下运动固有周期及无因次阻尼系数 、 运动幅值响应算子（ ＲAO） 、 系泊缆 张力、 靠垫压力等。
Abstract： The operation and safety performance of FSＲU mooring to dock in harsh conditions is tightly related to the mooring line tension，fender extrusion stress and motion of response，etc． The FSＲU model tests of different loading conditions were conducted，and the six degrees of freedom motion responses，dynamic mooring loads were obtained． Based on the threedimensional radiation and diffraction theory，Sesam software was used for frequency domain calculation of FSＲU． Then the result was utilized to set up a time domain coupling procedure under the corresponding marine environment． The 6DOF motion，mooring line tension and fender extrusion stress were acquired． Ｒesults show that the motion of FSＲU achieves the maximum value when it is 30% loaded in beam wave． The mooring tension fracture has not gone beyond，but the extrusion stress of fenders exceeds the value of maximum 60% deflection． It is more reliable to predict FSＲU motion response and mooring force by model test，but the numerical simulation is still an important auxiliary method to investigate fender pressure． Keywords： FSＲU； mooring to dock； 6DOF motion； mooring line tension； fender extrusion stress