乏燃料运输船旁靠浮动核电厂水动力耦合分析

吴述庆，郭　健，齐江辉

乏燃料运输船旁靠浮动核电厂水动力耦合分析

吴述庆，郭健，齐江辉

（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064）

乏燃料运输船与浮动核电厂组成的旁靠浮式系统，其水动力响应是一个复杂的工程问题。本文基于三维势流理论对乏燃料运输船旁靠浮动核电厂时，浮动核电厂的运动响应预报，并针对特定频率下幅值响应出现显著增大的现象，采用在两船水域之间添加加盖阻尼的方法有效抑制了间隙水体共振引起船体运动的伪共振现象。并研究分析不同浪向和船体间距时两船之间的水动力耦合效应，对乏燃料运输船旁靠浮动核电厂的方案设计具有工程指导意义。

浮动核电厂；耦合；旁靠；运动预报

海上浮动核电厂是一座小型海上浮式核能发电平台，通过软刚臂单点系泊长期驻泊在定点海域，为周边海上石油平台提供淡水和电能。目前我国暂无专门用于海上浮动堆的陆上换料厂址或保障基地，为了实现对用户持续供电能力不丧失，海上浮动核电厂设计具备海上自主换料能力，以及反应堆在海上运行期间堆外燃料组件的安全贮存。海上浮动核电厂运行期间产生的乏燃料暂存在浮动核电厂的乏燃料水池中。但是长期贮存在浮动电站内部既不安全也占用有限的空间，故采用乏燃料运输船将卸出的乏燃料运走，同时从岸上运输新燃料装配到浮动核电厂上。

远海浮式结构物与供应船一般有串靠和旁靠两种方式。串靠技术简单，但可靠性不如旁靠。采用旁靠方式卸载货物，通过系泊缆与橡胶护舷连在一起，将供应船上的货物、设备、淡水、燃油等卸载至浮式结构物上，是一种应用广泛的作业方式。远海浮式结构物与供应船的旁靠作业属于多浮体干扰问题。与此类似，浮动核电厂核燃料的更替涉及到两船构成的多浮体系统。当两个浮体采用旁靠系泊方式进行物资补给和燃料更替时，两船之间的间距较小，从而使两个浮体周围的水动力发生相互作用，引发复杂的水动力耦合效应，两船之间的相对运动加剧，为物资或燃料的调运、卸载带来较大的安全隐患。

国内外已经有学者在浮体间的水动力影响、旁靠作业系缆方式等方面开展了相关研究。Kim[1]采用时域方法分析多浮体之间的水动力干扰效应。Koo等[2]基于时域耦合方法，研究了附加质量、阻尼等位于对角线上的影响系数对两浮体相对运动的影响。Hong等[3]采用高阶边界元与模型试验相结合的方法分析了LNG、FPSO、LNGC以及穿梭油轮旁靠作业过程中的运动和二阶慢漂载荷特征。张普杰等[4]对LNG船与LNG-FSRU并靠作业时，多浮体之间的相对运动、旁靠系缆张力、护舷反力等进行了数值研究；徐乔威等[5]对LNG船旁靠FLNG卸载作业时的水动力性能开展了物理模型试验。各类研究表明，多浮体之间的相互水动力系数与单船存在一定区别，水动力相互作用对船体运动影响较大。

本文以浮动核电厂为研究对象，选取海上浮动核电厂与乏燃料运输船组成的旁靠浮式系统进行三维势流的频域水动力求解，得到浮动核电厂的运动响应，并对比不考虑水动力相互作用的情况与两船耦合效应下的船舶的运动响应，分析水动力耦合作用对浮动核电厂运动响应的影响规律。本文在模拟浮动核电厂与乏燃料运输船耦合运动过程中，并非单纯将两个船舶计算模型置于一个流场中，计算乏燃料运输船旁靠浮动核电厂时后者的运动响应。而是考虑到采用势流理论方法会忽略流体的黏性作用，故在两浮体间隙水域引入增加加盖阻尼施加在两浮体模型间隙流场表面予以进行修正，以消除不规则频率，从而拟合得出使贴合实际工程的数值计算结果更贴合实际情况。该数值计算方法研究乏燃料运输船旁靠浮动核电厂的水动力耦合问题，对浮动核电厂和乏燃料运输船运行的安全性和可靠性提供一定的理论支撑，具有实际的工程意义。

1　基本理论

船舶运动坐标系采用右手坐标系，将平面定义在平均自由面上（无波情况下的自由液面），轴指向船首，轴通过重心且垂直于平面向上，其与平均自由面的交点为坐标原点。假设船舶以速度航行，其速度势由定常速度势、入射势、辐射势和绕射势组成，即

其中：

对于辐射势，满足定解问题：

在流体域内，

——水深。

绕射势满足定解问题：

定常势和入射势可以精确表达，解得辐射和绕射势后可分别求得附加质量系数和阻尼系数以及波浪力。

求解船舶运动方程，得到船舶的运动幅值：

其中：

2　船型参数与网格划分

海上浮动核电厂和乏燃料运输船的主尺度与船型参数如表1所示。

表1　船模型主要参数

两船旁靠，乏燃料运输船左边旁靠浮动核电厂，建模后，网格最大尺寸按船长的百分之一取。对于船艏艉部形状有突变的地方，适当进行网格加密。划分网格后的模型如图1所示。

图1　网格划分图

3　计算对比分析

船旁靠时，间隙水域的黏性问题也是影响运动预报准确性的较大因素。三维频域势流理论计算两船靠近的水动力响应问题时，两船间隙内液面升高及在某些频率下水质点速度会比实际值增大数倍。这是由于经典势流理论忽略了黏性的影响使得在特定频率下水体共振的能量无法耗散而引起的。

对于黏性的影响，众多学者提出了相关的修正方法。Huijsmans[7]提出了刚性盖理论，但是其抑制了波面运动并导致刚性盖首尾对流场产生明显的扰动。而Newman[8]提出添加柔性盖的方法允许波面运动，但依然对流场有扰动。陈小波博士[9]提出了加盖阻尼的方法，将携带阻尼因子ζ的阻尼力添加在两船的间隙水面上，达到耗散流场动能的目的，从而减小波面的谐振。

3.1　加盖阻尼修正

由于浮动核电厂采用单点系泊装置驻泊在作业海域，单点系泊具有风向标作用，故浮动核电厂一般处于迎浪状态。所以验证加盖阻尼修正方法的可行性时，主要考虑在180°迎浪工况下采用阻尼修正后的浮动核电厂的运动响应与不修正情况下其运动响应的对比。

通过水动力性能计算软件AQWA实现浮动核电厂的运动响应预报。浪向：180°迎浪；航速n=0 kn，波浪频率范围：0～2 rad/s。两船间距：4 m。

船舶在波浪中运动，一般考虑其升沉、纵摇、横摇运动，其分别对应的运动响应对比图如图2～图4所示。

图2　浮动核电厂升沉对比图

图3　浮动核电厂纵摇对比图

图4　浮动核电厂横摇对比图

通过对比分析可知，在风向标作用下，乏燃料运输船旁靠浮动核电厂，浮动电站的升沉和纵摇响应在波频为0.8 rad/s左右的峰值附近，加盖阻尼修正对降低共振峰值起到了一定的抑制作用，但是整体变化并不明显。说明迎浪工况下间隙水域的黏性作用对升沉和纵摇的影响并不大。而加盖阻尼修正对横摇运动的影响就比较明显。在波频1.3 rad/s左右，峰值降低约53.3%。而修正后峰值点的频率出现错峰现象。这一点Bunnik[10]指出是由于船体间隙液面加刚性盖消除不规则频率导致的，可通过细化网格来消除。

3.2　水动力耦合效应分析

本节主要考虑水动力耦合效应对浮动核电厂的影响。由于浮动核电厂在实际运行过程中采用单点系泊装置驻泊在作业海域，计算航速取为0 kn。单点系泊具有风向标作用，使得浮动核电厂一般处于迎浪和斜浪状态。模拟乏燃料运输船旁靠浮动核电厂时，取两船间距4 m，计算在135°斜浪和180°迎浪状态下，频率范围为0～2 rad/s的规则波中浮动核电厂的运动响应，得到其运动幅值响应算子RAO。不考虑水动力耦合效应时，数值模型单独只建浮动核电厂这一单浮体系统，模拟在相同工况下浮动核电厂的运动响应，并与考虑水动力耦合效应的浮动核电厂运动响应结果进行对比。其计算结果如图5～图10所示。

图5　135°斜浪中横摇运动耦合效应对比图

图6　180°迎浪中横摇运动耦合效应对比图

图7　135°斜浪中升沉运动耦合效应对比图

图8　180°迎浪中升沉运动耦合效应对比图

图9　135°斜浪中纵摇运动耦合效应对比图

根据在迎浪和斜浪状态下，考虑水动力耦合效应与否的两种情况，浮动核电厂的运动响应对比分析可知，水动力耦合效应对于浮动核电厂的升沉和纵摇运动响应影响并不明显。而对于其横摇，在斜浪中，水动力耦合作用在波频为0.48 rad/s左右的响应峰值点影响最为明显。乏燃料运输船旁靠时，会造成浮动核电厂在共振峰值显著增大，运动幅值提高约58.4%。在迎浪中，水动力耦合效应更为显著，浮动核电厂横摇响应更大，与不考虑水动力相互作用相比，其横摇运动响应相差达到两个数量级。

图10　180°迎浪中纵摇运动耦合效应对比图

可见，乏燃料运输船旁靠浮动核电厂时，水动力的相互作用对于浮动核电厂运动的影响主要体现在横摇方面，升沉和纵摇则受影响较小。

3.3　旁靠间距对水动力作用的影响

为了研究旁靠间距对水动力相互作用的影响，分别计算在2 m、4 m、6 m、8 m、10 m这5个不同两船间距下，模拟在135°斜浪和180°迎浪中，浮动核电厂在不同波浪频率下的运动响应。对比结果如图11～图16所示。

图11　135°斜浪不同间距横摇运动对比图

图12　180°迎浪不同间距横摇运动对比图

图13　135°斜浪不同间距升沉运动对比图

图14　180°迎浪不同间距升沉运动对比图

图15　135°斜浪不同间距纵摇运动对比图

图16　180°迎浪不同间距纵摇运动对比图

根据对比图可知，两船间距变化时，水动力作用对船舶运动影响最大体现在横摇方面，尤其是在迎浪状态。

在波浪低频段，随着两船间距的变化，水动力相互作用对浮动核电厂的运动响应的影响并不大。而在中低频内（0.4～0.5 rad/s），船舶的运动响应会出现峰值，此时，升沉和纵摇变化不大，而横摇则是在间距为4 m时，水动力相互作用最显著。在中间频率段1.1 rad/s左右，船舶运动会出现第二次峰值，此时，两船间距为8 m时的水动力相互作用效果最明显。分析可能是因为乏燃料运输船与浮动核电厂组成一个相互影响的系统，该系统在特定的间距时，会在浮动核电厂固有频率处形成共振，造成横摇运动曲线出现峰值。

因此，两船旁靠间距的变化对水动力作用大小也有影响。在低频段的影响可忽略，而在中低频和中频段，船舶在某特定间距下，水动力的作用效果会尤为明显。

4　结论

通过以上的计算分析，研究了两船旁靠时间隙水体黏性作用引起的共振问题，分析了水动力耦合效应以及船体间距变化对耦合效应的影响，得到如下结论：

（1）两船间隙水体黏性引起的船体运动的异常共振现象主要体现在船舶的横摇运动方面，对升沉和纵摇作用并不明显。而采用加盖阻尼的方法进行修正，可以有效抑制该现象的发生。

（2）水动力耦合效应影响最大的是横摇，尤其是浮动核电厂处于迎浪状态，而升沉和纵摇影响较小。

（3）两船旁靠间距变化，水动力作用大小体现在迎浪下船舶的横摇运动方面。并且在波浪中低频段和中频段，船舶的特定间距下，水动力相互作用会有显著影响。

因此，研究乏燃料运输船旁靠浮动核电厂的水动力耦合问题时，要充分考虑两浮体间水域的黏性影响。而本文采用的阻尼修正方法对模拟实际工程情况具有良好的效果。但阻尼系数的确定依赖大量的经验数据，后续还须通过实验进一步明确阻尼系数如何选取。此外，通过研究分析可知，在实际工程运用中，乏燃料运输船旁靠浮动核电厂时，尤为要注意船舶的横摇状态，以及选择合适的旁靠间距，使得两船的运动响应达到最佳状态。

致谢

感谢武汉第二船舶设计研究所，所里良好的科研氛围以及完善的硬件设施条件为论文的顺利完成提供了必要的保障。

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Hydrodynamic Coupling Analysis of the Marine Nuclear Power Platform and the Spent Fuel Carrier in Side-by-side Case

WU Shuqing，GUO Jian，QI Jianghui

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan of Hubei Prov. 430064, China）

The hydrodynamic response of side-by-side mooring system between the spent fuel carrier and the marine nuclear power platform (MNPP) is a complex engineering problem. This paper predicted the motion responses of the marine nuclear power platform when the spent fuel carrier is in side-by-side operation based on the three-dimensional potential theory. The “false resonance” problem in the calculation process is solved by adding lid damping term. And then, the impact on hydrodynamic performance caused by the spacing of two ships is studied, which can be of help for the side-by-side mooring system engineering design.

Marine nuclear power platform; Coupling effects; Side-by-side; Prediction of motion response

TL48

A

0528-0918（2022）01-0220-07

2021-03-17

海上核燃料装卸技术研究及关键设备研制（2017YFC0307806）

吴述庆（1987—），男，湖北武汉人，工程师，硕士，现从事核动力船舶总体设计项目资助方面研究