李 俊, 彭 涛, 张建宏, 卢文月
(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室;船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)
长期以来,海洋工程界主要采用长峰规则波浪和不规则波浪对海浪及其与海洋工程结构物的相互作用进行理论研究和模型试验,长峰波在海洋工程结构物的设计、建造和安全运营等方面发挥了重要作用.但是,实际海上的风生波并非只沿某个方向传播,波能不仅分布在不同频率上,而且分布在不同方向上, 波峰线是三维的[1].长峰波浪不能真实再现结构物所处的海洋环境条件,国内外开展的一些模型试验表明, 结构物在三维短峰波中的水动力性能与在长峰波试验中的结果差异较大[2].
Cheng等[3]在水槽中利用长峰波和短峰波对固定式立柱开展了模型试验,对不同方向分布角短峰波浪中立柱所受的波浪力和水动力系数进行了分析.试验结果显示,不同方向分布角对立柱所受波浪力有显著影响.Kurian 等[4]对短峰波中的传统型单柱式平台(SPAR)和桁架型SPAR开展了模型试验研究,分析了平台纵荡、升沉和纵摇幅值响应算子(RAO),并与长峰波试验结果进行了对比.试验结果显示,在短峰波中,桁架型SPAR平台3个自由度的运动响应均小于长峰波试验结果;传统型SPAR纵荡运动响应与长峰波试验结果差异较小,低频范围内纵摇和横摇运动响应大于长峰波试验结果,高频范围内纵摇和横摇运动响应小于长峰波试验结果.Ji等[5-7]采用物理模型试验方法,系统地对短峰波浪作用下大尺度墩柱所受的波浪力荷载和波高进行了研究.试验结果显示,短峰波浪的分布参数对墩柱所受波浪力和波浪爬高有明显影响,并且显著不同于长峰波浪的结果.郑文涛等[8]在耐波性水池中进行了船舶在长峰不规则波和三维短峰波中的运动响应模型试验, 对比分析了船舶在长峰波和三维波中运动响应的差别.研究结果显示,三维波的方向扩散性是影响船舶在实际海况中运动的重要因素之一.
圆筒形浮式生产储油装置(FPSO)是集修井、生产、储存和外输功能于一体的新型海上油气开发设施,具有功能集成度高、运维方便、操作灵活和运动性能良好等诸多优点,在边际油田开发中具有光明的应用前景[9-11].本文采用不同方向分布参数的三维短峰波浪,对圆筒形FPSO的水动力性能开展模型试验研究,对圆筒形FPSO运动响应与系泊系统受力进行分析,并与长峰波浪中的试验结果进行对比.试验研究结果可为海洋工程设计提供技术参考和数据积累.
在上海交通大学海洋深水池中进行三维短峰波中圆筒形FPSO水动力模型试验.海洋深水池由1个水池主体和1个深井组成, 可以模拟风、浪和流等各种海洋环境.水池主体有效工作的长、宽、深尺寸为50 m×40 m×10 m,水深可在0～10 m范围内任意调节.水池深井最大工作水深为40 m,直径为 5 m.造波系统由 222 块单元摇板组成,分两组布置在水池相邻垂直两边,其中长边有122块摇板,短边有100块摇板,每块摇板宽为0.4 m,各摇板由各自的伺服电机驱动, 均可独立造波.在两组多单元造波机的对岸均设有消波滩,用以减弱反射波影响.在给定主波向时,多单元造波机可在深水池内生成高质量三维短峰波浪[12-13].
1.1 圆筒形FPSO及系泊系统
三维短峰波中圆筒形FPSO水动力模型试验缩尺比为1∶60,试验模型采用玻璃钢材料制作,表1为圆筒形FPSO平台主要参数.通过静水衰减试验对模型固有周期等参数进行准确调节.
表1 圆筒形FPSO主要参数Tab.1 Main parameters of cylinder FPSO
圆筒形FPSO系泊系统由12根系泊缆组成,编号为#1～#12,分3组布置,每组间隔120°,每组4根,每根之间间隔2°.实际系泊缆由锚链、聚酯缆和浮筒组成.由于水池尺度限制,本次模型试验采用截断设计方法,利用锚链、钢丝绳和有机玻璃等,根据单位质量和轴向刚度等参数对圆筒形FPSO系泊系统进行模拟.系泊缆长度实型值为 1 051 m,模型值为17.52 m,预张力实型值为 1 466 kN,模型值为 6.62 N.
图1为圆筒形FPSO试验模型,图2为系泊缆试验模型,图3为水池中模型布置示意图.图中,o-xyz为船体坐标系,O-XYZ为水池坐标系,垂向坐标向上为正.
图1 圆筒形FPSO模型Fig.1 Model of cylinder FPSO
图2 系泊缆模型Fig.2 Model of mooring line
图3 模型布置示意图Fig.3 Layout of model test
1.2 波浪环境条件和试验工况
圆筒形FPSO实际作业水深为313 m,对应模型水深为5.2 m.波浪环境条件包括3个短峰波浪和1个长峰波浪,均采用JONSWAP波谱,谱峰参数为2.2.表2为圆筒形FPSO模型试验工况和波浪环境条件参数.短峰波浪方向分布函数选取半角余弦型分布,采用单迭代法生成各单元摇板驱动时历信号[1].短峰波浪主波向和长峰波浪波向选取迎浪方向(水池坐标,见图3),选取方向分布范围为[-45°, 45°].采用正五边形浪高仪阵列采集模拟的短峰波浪时历,利用扩展的最大似然法(EMLM)对模拟的波浪进行分析,图4为正五边形浪高仪阵列示意图.图5为长峰波浪波谱模拟结果,图中数据均为实型值,ε为方向谱密度,ω为圆频率.图6为SC03工况模型试验照片.图7为短峰波浪方向谱模拟结果,其中l为方向角.
图4 浪高仪阵列示意图Fig.4 Diagram of wave gage array
图5 长峰波浪波谱模拟结果Fig.5 Comparison of generated and target long-crested wave spectrum
图6 SC03工况试验照片Fig.6 Picture of model test (case SC03)
表2 工况和波浪参数Tab.2 Experimental cases and parameters of waves
2.1 运动响应试验结果与分析
采用非接触式光学运动测量系统对圆筒形FPSO模型六自由度运动进行测量与数据采集,该系统线运动测量精度为1 mm,角运动测量精度为0.1°.图8所示为圆筒形FPSO纵荡、横荡和横摇运动时历曲线,表3为圆筒形FPSO在短峰波和长峰波试验中六自由度运动最大幅值试验结果,表中和图中数据均为实型值.
图8 圆筒形FPSO运动时历曲线Fig.8 Time series of movement of cylindrical FPSO
表3 圆筒形FPSO运动最大幅值Tab.3 Maximum motion amplitudes of cylinder FPSO
从试验结果可知,在长峰波试验中,圆筒形FPSO纵荡最大幅值分别是方向分布参数为5、10和15的短峰波试验结果的1.28倍、1.10倍和1.18倍.在长峰波环境条件中,圆筒形FPSO的纵荡运动显著大于短峰波试验结果.
对于横荡运动最大幅值,方向分布参数为5、10和15的短峰波试验结果分别是长峰波试验结果的3.94倍、2.83倍和2.21倍;对于横摇运动最大幅值,方向分布参数为5、10和15的短峰波试验结果分别是长峰波试验结果的2.60倍、2.34倍和2.13倍.在短峰波试验中,横荡和横摇运动显著大于长峰波试验结果,并且随着方向分布参数的减小,圆筒形FPSO横向运动明显增大,即当主波向为迎浪方向时,波能的方向分布越宽,横向运动越剧烈.
在短峰波试验中,圆筒形FPSO首摇运动和纵摇运动相对于长峰波试验中的结果较大,垂荡运动在短峰波和长峰波中的试验结果差异较小.
2.2 系泊力试验结果与分析
表4为圆筒形FPSO在短峰波和长峰波试验中系泊力最大值试验结果统计值,结果已换算至实型值.从试验结果看,在短峰波和长峰波试验中,#5～#8系泊缆最大张力相对#1～#4和#9～#12两组较大,#1～#8系泊缆长峰波试验结果均较短峰波试验结果大,其中张力最大值均发生在#6系泊缆,长峰波试验结果分别是方向分布参数为5、10和15的短峰波试验结果的1.03倍、1.05倍和1.04倍.
表4 系泊缆最大张力Tab.4 Maximum tensions of mooring lines
在海洋深水池内分别采用不同方向分布参数的短峰波和长峰波对圆筒形FPSO水动力性能开展模型试验研究,对FPSO运动响应和系泊力进行对比分析,主要得到以下结论:
(1) 当主波向或波向为迎浪方向时,在短峰波环境条件中,相较于长峰波浪,圆筒形FPSO横荡和横摇运动响应增大,并且随着波能的方向分布越宽,横向运动越剧烈.
(2) 当主波向或波向为迎浪方向时,在短峰波环境条件中,相较于长峰波浪,圆筒形FPSO纵荡运动响应减小,首摇和纵摇运动增大,垂荡运动差距较小.
(3) 从主要受力的系泊缆最大张力试验结果可知,在长峰波环境条件中,圆筒形FPSO系泊缆最大张力大于短峰波试验结果.
本文开展的短峰波中圆筒形FPSO水动力性能模型试验结果显示,在短峰波环境条件中,圆筒形FPSO的运动和系泊力与长峰波环境条件中存在较为显著的差异,以期为深入开展三维短峰波中海洋结构物水动力性能研究提供参考.
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