海洋石油201船与Spar平台靠近作业水动力分析

匡杨 李啟宝 秦立成 王 燕 张博文 李 鹏 王振兴

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 概述

随着海洋油气资源开发利用的工程实现方式不断更新，多个浮体近距离作业模式越来越多的得到应用。例如：穿梭油轮和FPSO旁靠输油作业，海上平台吊装作业等。靠近作业浮体之间由于摇荡运动兴波而存在相互干扰，在有入射波浪情况下，多浮体之间存在绕射波的相互干扰。因此，近年来，针对多浮体之间水动力相互干扰作用开展研究成为海洋工程技术开发的关键。本文计算了海洋石油201船和Spar平台的水动力脉冲响应函数特性，由傅里叶变换给出频域水动力学系数，计算结果和Hydrostar水动力分析软件结果吻合很好。在此基础上，对海洋石油201和Spar海洋平台组成的多浮体系统，求解时域水动力脉冲响应特性，为时域运动模拟作好准备。

2 频域水动力求解方法

势流理论中在简谐波浪零航速的N个稳态摇荡运动浮体之间的水动力的干扰，可以将其中一个浮体m表面上的速度势分解为流场扰动速度势贡献求和作用，是由多个浮体系统中每个浮体的运动所有模态运动引起的。

速度势可分解为：

(1)

物面边界条件在绕射势浮体m上的为：

(2)

其中，n为指向流场内部。

3 时域水动力分析方法

在上一节中，讨论的是频域稳态解。为了考虑多浮体在环境载荷的作用下呈现出的瞬态动力响应，必须采用时域分析，这样可以给出多浮体水动力特性随时间的变化情况，即多体干扰的记忆效应特性。

(3)

其中，p为压强，t为时间。

由线性伯努利方程可以得到，浮体m受到水动力Fm的第k个分量为：

(4)

4 半解析数值解法

(5)

将ω∈(0,ω)分为N+1个子区域，如(ωn,ωn+1)和(ωn+1，∞),n=1,2,…，N。可以得到:

(6)

参考Cao(2008)[11]介绍的半解析方法，对阻尼曲线前一段作线性化假设，则:

(7)

其中:

(8)

(9)

所以，脉冲响应函数在每个小区间上可以写成：

(10)

对阻尼曲线后一段接近为指数衰减，则:

(11)

所以，

(12)

5 数值结果及讨论

本文首先选取单体海洋石油201船为例，海洋石油201船是我国第一艘深水起重铺管船，具有DP3动力定位系统的能力，全船采用全电力推进的推进器，共7个，具有抵抗恶劣海况的能，不需要系泊进行海洋作业，其起吊能力达到4 000 t，海洋石油201船长达到204.65 m，型宽为39.2 m，型深为14 m，具有3 000 m水深作业能力。Hydrostar软件由法国船级社陈晓波博士主持开发，它具有20多年的应用历史，是用于水动力计算的功能强大的软件。它可用于计算结构与波浪之间的耦合效应。在计算中，考虑了波浪，流动载荷，风载荷，多个物体之间的结构耦合以及内部流体运动和前进速度的影响。一阶波浪力，速度，加速度，波浪感应运动和相对运动的计算和分析可以在Spar平台，船舶，张力腿平台和半潜式平台上进行。本文使用Hydrostar水动力分析软件来计算海石油201船的频域响应，然后采用半解析法在时域上计算海洋石油201的脉冲响应函数。对数值结果进行比较和分析，以验证计算方法的可行性和正确性。海洋石油201船和Spar平台的水动力参数如表1所示。

同理，在此基础上，选取海洋石油201和Spar平台组成多浮体系统，分别计算两者间距为5.3 m，11.3 m和105.3 m情况下，它们在时域中的脉冲响应函数，并通过对不同间距和单体情况下，数值结果的比较和分析，给出多浮体水动力特性随时间的变化，即多体干扰的记忆效应特性。说明多浮体之间时域水动力相互作用的特点及重要性。

用ηj表示浮体六个自由度的运动模态，其中j=1,2,…,6表示海洋石油201六个自由度的运动状态，分别是横荡、纵荡、垂荡、艏摇、纵摇和横摇；j=7,8,…,12表示Spar海洋平台六个自由度的运动模态，分别是纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。

海洋石油201和Spar平台的主尺度如表1，表2所示。

表1 海洋石油201的主尺度

表2 Spar平台的主尺度

利用软件进行了海洋石油201船浮体的水动力时域特性分析。运用半解析方法将阻尼系数变换为时域脉冲响应函数。当频率ω>5.0 rad/s时，阻尼系数趋于0。所以，取准确极限频率为Ω=5.0 rad/s进行计算。

图1a)中，给出海洋石油201纵荡模态在频域中阻尼系数B11和时域中脉冲响应函数K11的情况。由图中可以看出，在频域中，当频率ω趋于无穷大时，阻尼系数为0。

同时，从图1b)中可以看出，在脉冲响应函数的初始时刻t=0，由于波浪激励力的作用，海洋石油201会产生很大的脉冲响应激励。随着时间的推移，脉冲响应函数在较长时间的振荡之后逐渐消失。脉冲响应函数表达了波浪中运动的浮体具有记忆的效应，其计算过程通过卷积积分形式来表现。

为了验证这种方法的正确性，将半解析得到的脉冲响应函数结果进行傅里叶变换与Hydrostar水动力分析软件结果进行比较，如图2所示，发现两种结果吻合的很好。

6 结论

本文利用法国船级社的Hydrostar水动力分析软件，其基于三维势流理论，对海洋石油201和Spar平台靠近作业的水动力问题进行了研究，得到如下结论：

1)海上多个船舶作业时，其和单个的船舶是有差别的，需要考虑多个船舶在波浪之间相互的干扰作用，这是不可忽略的。

2)将半解析得到的脉冲响应函数结果进行傅里叶变换与Hydrostar水动力分析软件结果进行了比较，海洋石油201的阻尼系数非常一致，验证了计算的准确性。

3)通过计算分析，本文的结果可以为相似项目提供参考的依据。