基于AQWA的旁靠油轮水动力相互作用研究

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计算结果分析
本文中主要考虑水动力相互作用对 LNG 运输船 的影响。计算时选择 5 个不同的间距，模拟 LNG 运 输船在不同浪向角和不同波浪频率下的响应，得到 其幅值响应算子 RAO、辐射阻尼、附加质量和波浪 激励力，并与不考虑水动力相互作用的计算结果进 5 m， 6 m， 7 m， 10 m 行比较。以下计算结果中 3 m， 5， 6， 7 ，10 m 的计算结果， 分别表示两船间距为 3 ， noHYDI 表示不考虑水动力计算的结果。 2. 1 附加质量和辐射阻尼 图 2 和图 3 分别给出了不同间距下附加质量和
f0k = iρω φ0 n k ds，
s
表 1 给出了 FPSO 和 LNG 运输船的主尺度。 计 算模型如图 1 所示。
f7 k T kj
= iρωφ n ds， = iρωφ n ds。
7 k s j k s
式中： f0k 是入射波力，又称为 Froude － Kriloff 力； f7k 为绕射力； 这二者之和 f0k + f7k 为浮体在规则波中受 到的波浪激励力； T kj 为浮体做单位速度 j 态运动时受 到的 k 方向上的辐射力。 船舶在规则波作用下的运动微分方程为
第 34 卷第 5 期 2012 年 5 月
舰 船 科 学 技 术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 34 ，No． 5 May， 2012
基于 AQWA 的旁靠油轮水动力相互作用研究
1 2 1 刘元丹 ，熊治国 ，刘敬喜 ，解
德
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（ 1． 华中科技大学 船舶与海洋工程学院 ，湖北 武汉 430074 ； 2． 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 ） 摘 要：
LIU Yuandan1 ，XIONG Zhiguo2 ，LIU Jingxi1 ，XIE De1 （ 1． College of Naval Architecture and Ocean Engineering， Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 ，China； 2． China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064 ，China） Abstract： The hydrodynamic response of the sidebyside mooring system is a very complex problem，
关键词：
多体水动力学； 旁靠系泊系统； 水动力耦合 中图分类号： U661． 3 文献标识码： A ： 1672 － 7649 （ 2012 ） 05 － 0013 － 05 doi： 10. 3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2012. 05. 003 文章编号
Analysis on hydrodynamic interaction between side by side mooring tankers
其中： φ0 为入射波速度势； φ7 为绕射波速度势； φ j 为 辐射势； ω 为入射波的频率。 由伯努利方程可得到船体一阶水动力压力分布 ： P =－ρ Φ = iρω（ φ0 + φ7 + ∑ φ j υ j ） e － iωt 。 （ 3） t j =1 再沿船体湿表面积分，可得到船体所受一阶波
［7 ］ ［3 ］ ［4 ］
分析方法及原理
LINE 模 块。 该方法主要应用 AQWA 中 AQWAAQWALINE 主要用于在单位幅值规则波条件下的 频域水动力分析，可以求得浮体结构的波浪力，附 LINE 加质量和辐射阻尼等水动力参数 。通过 AQWA的求解，浮体 6 个自由度方向上的运动与相应的稳 态波浪力就相互联系起来。 流场中流体总的速度势定义
辐射阻尼随波频变化的曲线，以及不考虑水动力相
图2 Fig. 2
附加质量频响曲线
Frequency response curves of added mass
第5 期
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图5 Fig. 5
α = 180° 时 RAO 频响曲线
the hydrodynamic response of each structure will be coupled of other structures． This paper takes the sideby-side mooring system as the research objects． With consideration of the effect of hydrodynamic interaction， the global hydrodynamic response of the sidebyside mooring system between a FPSO and a LNG carrier is calculated by using multibody hydrodynamic software AQWA，based on the threedimensional potential theory． The results obtained are compared with those regardless of hydrodynamic interaction． It is shown that the hydrodynamic interaction can not be ignored． And then， the impact on hydrodynamic performance caused by the spacing of two ships is studied，the results show that it has a greater effect to hydrodynamic performance in the middle and high frequency range． The analysis results can be helpful for the design and study of mooring． Key words： multibody hydrodynamic； the sidebyside mooring system； hydrodynamic coupling 平取得了显著的进步和提高。2010 年我国海洋石油 ，“十二五 ” 产量首次超过 5000 万 t 期间，我国还要 再增加 5000 万 t 的海洋石油产量，我国海洋石油的 开发将得到极大的发展。浮式生产储油轮 （ FPSO ） 作
6
浪力，一阶波浪力又可分为入射力，绕射力和辐射 力 3 部分，如式（ 4 ） ～ 式（ 7 ） 。
6
Fj = 其中：

s
pn k ds = （ f0k + f7k +
T kj υ j ） e － iωt ， （ 4 ） ∑ j =1 （ 5） （ 6） （ 7）
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1. 1
旁靠系泊系统的水动力分析
FPSO 和 LNG 船主尺度参数
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两旁靠系统的不对称性，水动力分析浪向角为 360° ， 即 － 180° ～ 180° 。水动力分析参数如表 2 所示。
互作用下的计算结果。 从图中可以看出，水动力相互作用的影响主要 表现在中间频段内（ 0. 6 ～ 1. 0rad / s） ，此频段内附加 质量和辐射阻尼会出现波动； 在低频和高频区两船 间距对附加质量和辐射阻尼几乎没有影响 。 但随着 两船间距的增大，附加质量和辐射阻尼出现峰值时 对应的频率向低频移动。 在考虑两船间水动力相互作用时，相对于不考 虑水动力相互作用的单个船舶，附加质量会出现负 值，这是由于两船体之间的水体会产生类似赫姆霍 茨共振腔的作用造成的。 同时发现当两船间距为 6 m 时，水动力相互作 用的影响最为明显，辐射阻尼出现最大峰值。 2. 2 波浪激励力 由于内转塔具有风向标作用，文中主要考虑在 迎浪 工 况 下，即 浪 向 角 为 180° 时 的 情 况。 图 4 是 LNG 运输船在浪向角为 180° 时的波浪激励力随波频 的变化曲线。 从图中可以看出，在横荡、横摇和首 摇方向上所受的波浪激励力在整个频段范围内水动 力相互作用对其影响明显，并且在 0. 6 ～ 1. 0 rad / s 内出现较大幅度的波动。
[ M （ ω）
s
+ M a （ ω）
] X + C（ ω） X +
· · ·
K s （ ω） X = F （ ω） 。
（ 8）
式中： M s 为结构质量矩阵； M a 为水动力附加质量矩 阵； C 为系统线性阻尼矩阵； K s 为系统总刚度矩阵； F 为系统所受的波浪力； X 为幅值响应算子（ RAOs） ； ω 为入射波频率。 在旁靠系泊系统中，两船间距非常小，仅有几 米到十几米，因此算例中选取两船间距为 3 ～ 10 m 的 5 种情况下水动力相互作用对船体的影响。 由于
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舰
船
科
学 1. 2
技
术
第 34Baidu Nhomakorabea卷
为当今海洋石油天然气开发的主流设备，由于舱容 的限制，其处理的原油 / 天然气达到一定储量时，必 须通过管道或穿梭油轮将原油 / 天然气输送到陆地 上。使用穿梭油轮转运原油 / 天然气时，穿梭油轮和 FPSO 主要有 2 种系泊方式： 旁靠系泊 （ sidebyside ） tobow ） 。 和串靠系泊（ sternFPSO 与旁靠船舶组成了多浮体单元系统，由于 系统各单元间存在相互影响，同时船与船之间也存 ［1 ］ 在风、浪、流的屏蔽效应 ，因此对于多浮体单元系 统值得深入研究。由于受到旁靠输油管长度的限制 ， 系泊系统 必 须 保 证 两 船 处 于 一 定 的 相 对 运 动 范 围 ［2 ］ 内 。旁靠单元系统的水动力研究对于其系泊系统 的方案设计有重要的作用。 王翔 、王强 、WEI Ye［5］，C． A． C． van der Valk A 等［6］ 都对多浮体系泊 系统的响应进行了深入的研究和分析。 谢楠等 基 于三维势流理论计算了 2 个彼此相邻的浮体之间的 水动力相互作用，研究结果表明： 当 2 个物体间距较 小时，水动力相互作用是不可忽略的。 本文选取某型 FPSO 和 LNG 运输船组成的旁靠 系泊系统进行频域水动力分析，得到两船的总体运 动响应，针对 LNG 运输船的幅值响应、辐射阻尼和 附加质量的变化规律进行了研究，并与不考虑水动 力相互作用的情况进行比较分析 。
船舶旁靠系统的水动力响应是一个非常复杂的工程问题，系统中每一个结构的动力响应会受到其
他结构的耦合影响。针对两旁靠 FPSO 和 LNG 运输船组成的旁靠系泊系统，基于三维势流理论，应用多体水动力学 软件 AQWA，在考虑两船间水动力相互作用的情况下，计算两旁靠船舶所受到的波浪载荷，并与不考虑两船水动力 相互作用的计算结果进行对比分析 。结果表明，旁靠系泊系统水动力相互作用是不可忽略的 。同时也分析了不同旁 靠间距对水动力性能的影响，结果发现旁靠间距只在中高频段时对水动力性能的影响较大 。研究结果可为旁靠系统 系泊方案的设计和研究提供一定的参考 。
［8 ］
为
－i t Φ（ X ，Y，Z ，t） = φ（ X ，Y，Z ） e ω 。 （ 1 ） 总速度势是由单位幅值的入射波，辐射波和绕
射波叠加而成，因此总速度势可以分解为
－i t φ（ X ，Y，Z ） e ω =
[ （ φ0
+ φ7 ） +
φj υj ] e ∑ j =1
6
i ωt
。 （ 2）
0
引
言
“海洋石油 981 ” 深水半潜式钻井平台的建成， 标志着我国海洋石油工业和船舶制造行业的技术水
收稿日期： 2011 － 11 － 25 ； 修回日期： 2011 － 12 － 14 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51079095 ） 作者简介： 刘元丹（ 1987 － ） ，男，硕士研究生，主要从事船舶与海洋结构物设计制造研究 。