超大型海上油田一体化拆解装备水动力研究

王德兴 廖佩诗 戴 昆 刘 蓉 王新航

（青岛赛普克有限元科技发展有限公司，山东 青岛 266000）

0 前言

船舶的水动力性能是船舶的重要性能之一，对船舶的各个方面都有一定的影响。船舶在航行时，会受到一定的风浪作用，当受到的风浪作用较大时，会对其安全性能造成影响。近年来，对海洋资源的勘探以及开采活动越来越多，海难事故也接连不断地发生，为了保证船舶的正常作业、船上人员的舒适度以及船舶的安全性，让船舶拥有良好的水动力性能是重中之重。

该文研究目标为全球首制的超大型海上油田设施一体化拆解装备，该装备由2 艘起重船和1 艘半潜运输船组成。当3 艘船并排作业时，其水动力特性较为复杂，为满足多船协同动力定位、自动化控制及在恶劣海况中作业等需求，需要对多船并排作业时半潜式运输船的水动力特性进行研究。

该文基于三维势流理论[1]对拆解装备中的半潜式运输船进行水动力计算，通过三维建模软件建立3 艘船及海洋平台的模型，使用水动力学仿真软件对船舶进行水动力分析，得到半潜式运输船在不同间距、不同吃水深度下的水动力频域变化特性，为设计多船并排作业方案提供了一定的参考[2]。

1 理论公式

根据以往大量的船模试验以及实船测量结果可以看出，大幅波浪中的船体摇荡运动和船舶受到的波浪载荷的非线性特征突出，这是受到船体非直壁结构形式以及剧烈波浪砰击等因素影响的结果。由于三维水动力分析方法得到的结果更接近于实际，因此该方法越来越受到人们的重视。

1.1 运动方程

在水动力的理论研究中，通常假定流体是无黏、无旋和不可压缩的理想流体。在给定边界条件和初始条件时速度势函数ϕ（x，y，z）满足拉普拉斯方程，如公式（1）所示。

式中：x、y和z为自变量；ϕ为速度。

浮体在静水自由表面上做6 个自由度摇荡运动时，一阶不定常速度势ϕ满足其他条件，以确保联立的方程能够得到定解。

在自由表面如公式（2）所示。

式中：g为重力加速度；t为时间。

湿表面条件，如公式（3）所示。

式中：U为湿表面某处速度；n为湿表面某处法线方向。

海底边界条件，如公式（4）所示。

式中：Z为深度；H为海底距水平面距离。

无穷远处边界条件，如公式（5）所示。

式中：R为空间一点到分析处的距离；i为有限水深波速系数；k为有限水深波速。

可以认为总速度势是由入射波速度势、绕射速度势和幅射速度势组成，如公式（6）所示。

式中：ϕI为入射波速度势；ϕD为绕射速度势；ω为入射角频率；ξj为任意处的波形方程；ϕRj为任意处的速度势。

1.2 附加质量

如果使质量为m的船体在水中获得加速度a，由于水对船体有反作用力，因此作用在船体上的力F要大于ma，如公式（7）、公式（8）所示。

式中：λ为该船体的附加质量；-λa为附加惯性力。

将-λa改写为λdV/dt，V=V（t）是船体的运动速度，对理想流体来说，在dt的时间内船体运动所做的功全部转化为流体的动能dT，如公式（9）所示。

积分如公式（10）所示。

同时空间中流体的动能，如公式（11）所示。

式中：ρ为流体密度；v为流体速度；t为时间。

由于是理想的不可压缩无旋的流体，因此必然存在速度势ϕ，根据高斯定理即可得到公式（12）。

式中：S为湿表面面积。

令ϕ=V（t）ϕ0，则有公式（13）。

将公式（13）和公式（10）比较得到附加质量的公式，如公式（14）所示。

2 船舶与平台系统仿真模型

该项目水动力学仿真主要模拟当2 艘运输船被托举至被拆解平台、运输船行驶至2 艘起重船中间时，运输船的水动力学特性。起重船及运输船的主尺度参数见表1。

表1 船舶主尺度参数

拆解作业装备及平台整体仿真模型如图1 所示。整体模型由左右2 艘起重船、中部运输船及待拆解平台组成，2 艘起重船上的举升臂夹紧被拆解平台，实现对平台的托举，运输船主要负责转运被拆解后的废弃平台。

图1 水动力学仿真模型

该文共设置2 种浪向（如图2 所示），当浪向为0°时，分析计算纵摇、纵荡以及垂荡方向RAO 的曲线；当浪向为90°时，分析计算横摇、横荡以及垂荡方向RAO 的曲线。

图2 波浪方向示意图

3 半潜式运输船水动力仿真

在该文所研究的拆解装备中，半潜式运输船位于2 艘起重船的中间位置，由于3 艘船舶在作业时距离较近，半潜式运输船受起重船的影响较大，因此对中间半潜式运输船水动力性能的研究至关重要。该文通过设置不同的起重船与半潜式运输船的作业间距以及不同的吃水深度等一系列工况，对不同工况下半潜式运输船的水动力特性进行对比分析。

3.1 附加质量与RAO

船舶在水面上做变速运动时，推动船舶的力既要为船舶增加的动能做功，也要为周围水面增加的动能做功；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质量与加速度的乘积，增加的这部分质量即为附加质量。船舶的外形与运动方向也会影响到船舶的附加质量。

幅值响应算子 RAO（response amplitude operator）是输出与输入幅值比的平方，其本质是波浪到船体运动的传递函数[3]。

3.2 作业间距对运输船水动力的影响

由于3 艘船舶的尺度较大，左右两边的起重船会对中间的运输船产生一定的遮蔽效应[4]，且在3 艘船并排作业时，3 艘船舶之间的距离较近，水动力相互作用的效果便更加明显。因此该文选取3 种不同作业间距（1.5 m、2.5 m 以及3.5 m），对其运输船附加质量及RAO（响应幅值算子）进行对比分析。

3.2.1 作业间距对船舶附加质量的影响

不同间距对半潜式运输船附加质量的影响如图3 所示。由计算结果可以得到：1）改变作业间距对纵荡方向的附加质量影响较小。2）改变间距对横荡、横摇以及纵摇方向的附加质量有明显影响，间距为2.5 m 时附加质量较大。3）改变间距对垂荡、首摇方向的附加质量有明显影响，间距为1.5 m时附加质量较大。4）当频率为1.0 rad/s～1.4 rad/s 时，不同作业间距的模型附加质量结果差距较大，在其他频率范围时差距较小。

图3 不同间距时附加质量曲线

3.2.2 作业间距对船舶RAO 的影响

图4 和图5 分别为船舶在0°和90°入射波时，不同作业间距下半潜式运输船的RAO 对比。由计算结果可以得到：1）改变间距对各个方向RAO 影响很小。2）当频率为1.2 rad/s～1.4 rad/s 时，不同间距的附加质量有一点差距，在其他频率范围时差距较小。

图4 不同间距时RAO 曲线（0°浪向）

图5 不同间距时RAO 曲线（90°浪向）

3.3 吃水深度对运输船水动力的影响

当船舶作业时，不同吃水深度下船舶水动力特性也不同。该文对作业间距为2.5 m 时的船舶设置了3 种不同吃水深度（11 m、13 m 以及15 m），分别对其水动力学特性进行研究。对比分析不同吃水深度对半潜式运输船水动力特性的影响。

3.3.1 吃水深度对船舶附加质量的影响

不同吃水深度对半潜式运输船附加质量的影响如图6所示。由计算结果可以得到：1）改变吃水深度对各个方向附加质量均有一定影响，且当频率为0.8 rad/s～1.4 rad/s 时，附加质量变化较大。2）横荡、横摇方向的附加质量在吃水深度为13 m 时较大。3）纵荡以及垂荡以及纵摇方向的附加质量在吃水深度为15 m 时较大。4）随着频率的增大，各个方向附加质量逐渐平稳。

图6 不同吃水深度时附加质量曲线

3.3.2 吃水深度对船舶RAO 的影响

图7 和图8 分别为船舶在0°和90°入射波时，不同吃水深度下半潜式运输船的RAO 对比。由计算结果可以得到：1）改变吃水深度对纵荡和0°入射波下垂荡方向的RAO 影响极小，对其余方向的RAO 值有一定影响。2）纵荡方向的RAO 在吃水深度为11 m 时较大。3）横荡，横摇和90°入射波下垂荡方向的RAO 在吃水深度为15 m 时RAO 值较大。4）当频率为0.4 rad/s～0.6 rad/s 以及1.0 rad/s～1.4 rad/s 时，RAO变化幅度较大。

图7 不同吃水深度时RAO 曲线（0°浪向）

图8 不同吃水深度时RAO 曲线（90°浪向）

4 结语

该文利用水动力学仿真软件对三船并排作业时的水动力特性做初步的对比分析，研究了不同作业间距，不同吃水深度对其水动力特性的影响，综上分析数据可以得到以下结论：1）三艘船之间的间距以及船舶的吃水深度均会对船舶的水动力特性产生影响。2）不同的船舶间距对各个自由度的附加质量有一定影响，但随着间距的增大，波浪周期对运输船附加质量影响较小。不同间距对船舶的RAO 值整体影响不大，在中频段会有一定的变化，达到高频段后，RAO 值变化趋势基本一致。3）不同吃水深度对半潜式运输船附加质量的影响很大，吃水越深附加质量的峰值越大。吃水深度对半潜式运输船的RAO 影响不大，在中频段会有一定的变化，达到高频段后，RAO 值变化趋势基本一致。