波流耦合作用对圆筒型FPSO运动响应的影响.pdf

第38 卷第5期2023年10 月文章编号：10 0 1-450 0(2 0 2 3)0 5-0 0 42-0 7中国海洋平台CHINA OFFSHORE PLATFORMVol.38 No.5Oct.,2023DO:10.12226/j.issn.1001-4500.2023.05.20230507波流耦合作用对圆筒型FPSO运动响应的影响易丛1，于博骞1，卢文月2.3，李欣2 3，黄龙威2.3（1中海油研究总院有限责任公司，北京10 0 0 2 8；2.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海2 0 0 2 40；3.上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院，海南三亚57 2 0 0 0)摘要：采用模型试验的方法研究圆筒型浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage andOffloading，FPSO）在不同实验室模拟海流作用下的运动特征，从频域和时域的角度对FPSO运动响应的关键特征进行分析研究。试验以施加等效流力和水池造流两种方式模拟海流。结果表明：满载和压载吃水变化对FPSO运动响应的影响不大；直接施加等效流力除了对六自由度运动平衡位置产生小幅偏移外，对其余运动无明显影响；在波流耦合作用下，即使约化速度小于锁定区间，纵荡幅值仍然显著增大。由于实际环境可能比试验环境恶劣，因此在设计FPSO时应考虑波流耦合作用。在波流耦合作用下，横向运动趋向于分布在更宽的范围内，且振幅更大。波流耦合也会使横摇和横荡的谱峰频率往低频偏移，其低频运动的平均幅值也在波流耦合作用下显著增大，增幅为2 倍左右。关键词：圆筒型FPSO；波流耦合；运动响应；模型试验中图分类号：U674.38+1文献标志码：AInfluence of Wave-Current Interactionon Motion Response of Cylinder FPSOYI Cong,YU Boqian,LU Wenyue23,LI Xin?3,HUANG Longwei2.3(1.CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China;2.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.Yazhou Bay Institute of Deepsea Technology,Shanghai Jiao Tong University,Sanya 572000,Hainan,China)Abstract:The motion responses of cylinder Floating Production Storage and Offloading(FPSO)underdifferent simulated ocean currents in the laboratory are investigated.The key characteristics of the motionresponses are analyzed in frequency domain and time domain.The current is modeled by direct applying theequivalent current force and current generated in basin.The results show that:the change in the full loaded andballast loading condition is of little effect on the motion of FPSO;directly applying the equivalent current force isof barely influence on the form of cumulative distribution of 6 Degree-of-Freedom(DOF)responses,but withslightly changes in the equilibrium position of 6 DOF response;considering wave-current interaction,the surgeamplitude increases significantly even if the reduced velocity is less than the lock-in region.Because the realenvironments can be harsher than the experimental one,the wave-current interaction should be taken intoconsideration when designing FPSO.With the coupling of current,the transverse motion tends to be distributed作者简介：易丛（198 2 一），女，高级工程师，主要研究方向为浮托安装，以及FPSO、半潜平台等浮式结构物的总体性能分析与设计第5期in a wider range with larger amplitude.The spectral peak frequency in Low-Frequency(LF)moves to lowerfrequency for sway and pitch responses under wave-current interaction.And the mean amplitude of LF andWave-Frequency(WF)of 6 DOF responses are also significantly amplified.Key words:cylinder Floating Production Storage and Offloading(FPSO);wave-current interaction;motionresponse;model experiment0引言与船型浮式生产储卸油装置（FloatingProduction Storage and Offloading，FPSO)相比,圆筒型FPSO由于其结构简单和优异的运动性能已经在全球范围内得到广泛应用。时域和频域计算方法已成熟应用于求解浮式结构在波浪下的运动响应，并根据试验结果进行验证。然而，在实际工程中海流和波浪同时存在并耦合作用于浮式结构物，显著增大浮式结构物的运动响应13。因此，准确预测圆筒型FPSO在波流耦合下的运动响应对FPSO的安全设计至关重要。浮式结构物的波流绕射和辐射的总体模式与纯波浪作用的模式不同，波浪和海流的相互作用会导致复杂的流型，因此很难预测结构的运动响应。Airy波理论是最广泛使用的规则波和海流作用模型。基于线性波和均匀流的解析模型已被验证适用于海洋结构物的设计4。对于不规则波，WICHERS51对转塔系泊的FPSO在不规则波、风和海流联合作用下的数值模拟进行全面的研究，使用非耦合方法在时域下推导此类模型的运动方程，并分别求解刚体和系泊缆的动力响应。CHEN等1提出一种考虑波流相互作用的模型，研究波流耦合作用对浮式海上风机动力响应的影响，该解析模型基于Airy波理论，其海流的影响主要用于流速和加速度的计算。LIU等6 开发一种时域数值方法用于解决波流耦合作用在半球形浮式结构物上的问题，所预报的波浪力、波浪爬升和运动响应结果都与频域方法门非常接近。在海流作用下，浮式结构物也可能发生涡激运动（Vortex Induced Motion，V I M)。V I M 是由涡在结构两侧交替脱落造成的表面压力振荡引起的。VIM不仅影响系泊缆的疲劳寿命，而且会引起浮体与支持船的碰撞。基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD）的数值模型8-9 也在近年来用于预测浮式结构物的 VIM。考虑到时间成本高和计算能力有限，现象学模型10 1易丛，等波流耦合作用对圆筒型FPSO运动响应的影响YFPSO图2 圆筒型FPSO系泊布置和坐标系43也被运用于预测单柱平台的VIM。试验模型研究海流人射角度11、波浪周期12 和结构物的吃水13等条件对VIM的影响，并确定引起浮式结构物最大横向运动响应的锁定区域。本研究旨在探讨波流相互作用对圆筒型FPSO运动响应的影响，并为圆筒型FPSO的设计提供一些建议。采用深水池模型试验的方法研究圆筒型FPSO在不同的实验室模拟海流方式下的运动特征，从频域和时域的角度对FPSO运动响应的关键特征进行分析研究。1模型试验1.1模型介绍对带垂荡板的圆筒型FPSO进行水池模型试验，研究其在波流耦合作用下的六自由度运动响应。试验在上海交通大学深水池中进行。考虑圆筒型FPSO的设计尺度、水池尺度和系泊尺度等因素的影响，模型缩尺比取1：6 0。该试验的工作水深为5.217m，其对应的全尺度水深为313m。圆筒型FPSO的垂荡板形式如图1所示，其系泊布置和系统的总体坐标系如图2 所示。图1垂荡板形式0浪向角X44圆筒型FPSO主尺度如表1所示。表1圆筒型FPSO主尺度数值参数原型主体直径72.0垂荡板直径90.0垂荡板高度2.4主甲板高33.0工艺甲板高39.0模型的几何误差在目标值的1%以内。在试验之前，惯性参数（例如COG、横纵摇惯性半径）误差控制在3%以内。FPSO在压载和满载条件下的质量参数如表2 所示。锚链分为3组，每组由4条系泊缆组成，以120方位角均匀分布。考虑在给定的模型比例下，系泊缆的锚点位于底部边界之外，因此采用等效截断系泊系统代替原型。截断系泊参数和组成如表3和表4所示。截断和原型锚链的刚度曲线比较导缆孔锚链角度/()FI42.00F244.00F346.00F448.00Fs162.00F。164.00F7166.00Fs168.00F9282.00F10o284.00Fi1286.00F12288.0020.000元全水深尺度一截断水深尺度15000F试验值NV/(真回100005000中国海洋平台如图3和图4所示。m表2 圆筒型FPSO质量参数压载模型参数1.200吃水/m1.500排水量/t0.040重心高/m0.550初稳心高/m0.650横摇惯性半径/m27.4纵摇惯性半径/m28.5摇惯性半径/m31.7表3系泊截断参数长度/刚度/锚链分段m链条（锚点处）502104940聚酯261浮体总重=5t总浮力=50 t满载聚酯640链条（导缆孔处）1002104940表4截断系泊锚点和导缆孔位置X/mY/m27.5024.7626.6225.7025.7026.6224.7627.50-35.1911.43-35.5710.20-35.908.95-36.197.697.69一36.198.95-35.9010.20-35.5711.43-35.19第38 卷第5期满载原型模型原型模型18.50.308830550.37514926120.4183020.110.3354.880.0810.4570.4750.528kN(kg:m-1)46112359172123 59172461锚点Z/mX/m-14.50770.64-14.50745.9614.50720.3614.50693.8914.50-986.25-14.50996.8314.50-1 006.2014.50-1 014.34-14.50215.60-1 014.34-14.50250.871 006.2014.50285.84-14.50320.4520000全水深尺度一截断水深尺度15000试验值NV直回10000500020.819.924.5224.425.027.5湿重/预张力/t压载1.4741.427Y/mZ/m693.89-313.00720.36313.00745.96-313.00770.64-313.00320.45-313.00285.84313.00250.87-313.00215.60-313.00313.00-313.00-996.83-313.00-986.25-313.000.3470.3320.0750.4070.4170.4580510152025303540偏移量/m图3压载刚度曲线比较0510152025303540偏移量/m图4满载刚度曲线比较第5期在模型试验期间，使用非接触光学系统获取圆筒型FPSO六自由度运动响应。1.2试验方案该试验考虑纯流（仅造流环境），纯波浪（仅造波环境），等效流力（Fe）和波浪共同作用以及水池中的波流耦合等4种不同的环境条件以及满载和压载两种吃水。具体试验工况如表5所示。表5模型试验工况表载况海流编号压载12345678注：表示包含该环境条件在进行不规则波试验前，需要准确校核给定的环境条件。在圆筒型FPSO特定位置上通过滑轮施加恒定重量模拟等效流力Fec，其相对于圆筒型FPSO底部的垂向位置和力的大小如表6 所示。造流模拟的设计流速原型值如图5（a）所示。表6 等效流力载况力/kN压载1 520.95满载1 728.54在试验过程中波浪和海流保持同向。依据南海海域选取JONSWAP波谱作为不规则波谱，选定的有效波高H,=13.7m、谱峰周期T,=15.1 s、波谱系数=2.2（均为原型值）。校核后的纯波浪和波流耦合对应的波谱如图5（b）所示。2试验结果与分析2.1运动时域特性在纯流环境条件下，2 种载况的质心在水平面运动（纵荡和横荡）轨迹如图6 所示。由图6 可知，圆筒型FPSO在纯流作用下产生显著的横荡运动。该现象可能是由VIM引起的，VIM会在横向上引起较大的运动14。约化速度U.用于描述运动幅值与流速和结构形式的关系，其表达式为易丛，等波流耦合作用对圆筒型FPSO运动响应的影响1.0流速/(ms-l)(a）流速剖面波浪满载Fec45：-50-100-150F深*-200-250-300-3500.5造流7060F(t-s.pe1)/显504030F20F10F00（b）纯波浪谱与波流耦合谱比较图5环境模拟U,=UFD式中：U为流速；f为横荡运动的固有频率；D为垂直于流速方向的结构最大宽度。根据该试验参数计算，在压载和满载下的约化速度分别为位置/m4.17m/s和4.38 m/s。当约化速度在锁定区间内，8.94运动幅值会大幅增大。根据HU等10 1的研究，单10.08立柱平台的约化速度为515m/s。在本试验中约化速度不在该锁定区间内，因此，与FUJARRA等15 提出的单立柱平台VIM运动呈“8”字形轨迹不同，此处的轨迹呈现更多的随机性，在此约化速度范围内横荡与纵荡耦合程度强烈。8r6F420一2一4-6-818-16-14-12-10-8-6-4-20纵荡/m图6 压载和满载FPSO在纯流作用下的水平运动轨迹1.5一目标波谱波流耦合下试验波谱纯波浪试验波谱0.51.0o/(rads-l)压载满载2.01.52.0(1)46图7 为3种海况下满载FPSO六自由度运动响应的累积分布曲线，纵坐标F（）表示该方向运动小于等于运动值的概率分布。由图7 可知，运动分布围绕其平衡位置对称，与高斯分布吻合良1.0一纯波浪波浪叠加等效流力0.8一波流耦合0.6()0.40.2060-40-20纵荡/m(a)纵荡1.0纯波浪0.8波浪叠加等效流力波流耦合0.60.40.2图7圆筒型FPSO在纯波浪、波浪叠加等效流力、波流耦合等3种环境条件下六自由度运动累积分布曲线在考虑波流耦合作用时，运动的累积分布变得更复杂。对于纵荡运动，其变化趋势与直接叠加等效流力一致，但其增幅更大。纵荡运动增加约40%，这一现象与许鑫等2 的研究结论一致。在波流耦合作用下横向运动和摇运动振幅显著增大。综上所述，在波流耦合作用下，即使约化速度不在锁定区间内，圆筒型FPSO六自由度运动幅值仍明显增大。由于真实环境更恶劣，因此波流耦合运动纯波浪纵荡/m8.59横荡/m1.66垂荡/m3.07横摇/（)0.35纵摇/(）2.34摇/()0.392.2运动响应的频域分析满载FPSO六自由度运动频谱结果如图8 中国海洋平台好。在纯波浪激励下，除了纵向运动（纵荡和纵摇）外，其余运动平衡位置均在原点附近。施加等效流力后，纵荡方向的平衡位置偏离量增大约5m，而其余运动的累积分布基本保持不变。1.01.0纯波浪一波浪叠加等效流力0.8波流耦合0.6()0.40.2020-20横摇/)(d)横摇第38 卷第5期一纯波浪波浪叠加等效流力0.8波流耦合0.40.20-50横荡/m(b）横荡1.0一纯波浪波浪叠加等效流力0.8波流耦合0.60.40.22表7 六自由度运动标准差满载波浪叠加等效流力8.141.623.060.352.320.375-50纵摇/)(e）纵摇作用不可忽略。在压载条件下观察到类似的特征，由于篇幅有限不予赘述。表7 列出圆筒型FPSO在满载和压载条件下六自由度运动的标准差。标准差的大小反映其围绕平衡位置的振荡幅值大小。由表7 可知，直接施加等效流力对振荡幅值的影响最小，而横向运动和摇运动的振荡幅值在波流耦合作用下显著增大。载况对圆筒型FPSO振荡幅值无显著影响。波流耦合纯波浪8.558.742.561.773.493.130.530.382.853.000.510.45图10 所示，为方便观察，低频和波频运动分别绘制在不同的图中。10510-10-50垂荡/m(c）垂荡1.0纯波浪0.8波浪叠加等效流力波流耦合0.40.2压载波浪叠加等效流力波流耦合8.599.371.612.853.183.580.350.71.2.923.300.340.675一20摇/）(f)崩摇102第5期8.06.04.02.000.050.100.150.200.25频率o/(rads-)（a）纵荡低频运动图：圆筒型FPSO在纯波浪、波浪叠加等效流力、波流耦合等3种环境条件下横荡和纵荡的低频和波频运动谱10.0r-pe1.s.-(0)/一纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合5.0易丛，等波流耦合作用对圆筒型FPSO运动响应的影响150.0纯波浪(pe.s.)/波浪叠加等效流力波流耦合6.0纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合100.0F50.00.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0频率o/(rads-1)（b）纵荡波频运动1.0一纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合0.52纯波浪一波浪叠加等效流力波流耦合4.02.00.050.100.150.200.25频率o/(rads-)（c）横荡低频运动-200纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合100纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合0.30.4 0.5 0.60.70.80.91.0频率/(rads-1)（d）横荡波频运动40.0纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合20.0M00.05 0.10 0.15 0.20 0.25频率o/(rads-1)（a）横摇低频运动图9圆筒型FPSO在纯波浪、波浪叠加等效流力、波流耦合等3种环境条件下横摇和纵摇的低频和波频运动谱2纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0频率o/(rads-1)（b）横摇波频运动纯波浪波浪叠加等效流力3波流耦合2100.050.100.150.200.25频率o/(rads-1)（c）纵摇低频运动10.0纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合5.00.3 0.4 0.5 0.60.7 0.8 0.91.0频率/(rads-1)（d）纵摇波频运动3.0纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合2.01.000.050.100.150.200.25频率o/(rads-)（a）垂荡低频运动图10圆筒型FPSO在纯波浪、波浪叠加等效流力、波流耦合等3种环境条件下垂荡和摇的低频和波频运动谱可明显看出，在纯波浪试验中纵荡低频运动的谱峰频率为0.0 49rad/s，低频运动是纵荡和横荡的主要运动。当施加等效流力时，运动谱的整体形状保持不变，对运动能量的影响也较小。在波流耦合作用下谱峰频率发生变化。对于纵荡运动，谱峰频率从 0.0 49 rad/s 增大至 0.0 53 rad/s。G O NCA LVES等11的研究表明，在波流耦合作用下，纵荡运动的谱峰频率出现在横荡与摇运动的固有频率之间。在本试验中该范围为0.0 40 0.10 0 rad/s。相反地，横荡的谱峰频率从0.0 39rad/s降低至0.0 2 6 rad/s，且频率低于0.0 2 5rad/s部分的运动能量也大幅增大。纵荡和横荡的波谱运动在波流耦合作用下均有所增大。从横摇运动谱可观察到2 种不同模拟海流作用方法引起的相反的趋势。直接施加等效流力抑制横0.30.40.50.60.70.80.91.0频率o/(rads-l)（b）垂荡波频运动00.05 0.100.150.200.25频率o/(rads-)（c）摇低频运动摇在低频运动处谱峰频率对应的能量，而波流耦合作用则增大横摇低频运动各部分能量，且其谱峰频率从0.17 3rad/s增大至0.17 9rad/s。对于纵摇运动来说，等效流力的施加并没有产生明显影响，而波流耦合则使其在0.0 50 rad/s附近的能量明显增大。波流耦合也引起横摇和纵摇的波频运动大幅增大。不同于其余方向的运动，垂荡运动以波频为主导，其低频运动非常小。2 种流的模拟方法对于垂荡波频运动的影响很小。与横摇运动相似，摇在2 种不同海流的模拟方法下产生相反的变化。直接施加等效流力降低摇低频谱峰能量，而波流耦合显著增大这部分能量。为进一步研究不同海流模拟方式对低频和波频运动响应的影响，采用特征幅值进行定量分析。特征幅值的计算公式为0.30.40.50.60.70.80.91.0频率o/(rads-)（d）摇波频运动48式中：W1和w2分别为低频和波频运动的起止频率；S()为对应的运动谱。根据试验波浪谱，低频响应的频率区间为wi0rad/s和w2=0.25rad/s。波频10080604020F0低频运动(a)纵荡0.6纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合0.4()/群0.20直接施加等效流力对六自由度运动的低频和波频运动的特征幅值没有明显影响。在波流耦合作用下，最显著增大的是横荡和横摇低频运动的特征幅值，增幅为2 倍左右。垂荡低频运动、横摇和摇波频运动也明显增大，但由于数值本身就很小可忽略。3结论采用深水池模型试验的方法研究圆筒型FPSO在不同海流模拟方式下的运动特征。从频域和时域的角度分析施加等效流力和水池造流两种方式对FPSO运动响应的关键特征的影响，并由试验结果得到以下结论：（1）在时域角度上，等效流力的施加在总体上不影响运动累积分布，只在纵荡方向引起沿流力方向的小幅偏移；在水池中造流引起的波流耦合效应导致横荡、横摇、纵摇和摇等4个方向上的运动更偏离平衡位置。纵荡偏离的增幅约40%。试验约化速度小于VIM严重的锁定区间，而运动明显中国海洋平台响应的频率区间为wi=0.25 rad/s 和w=AWLS(a)da21纯波浪波浪叠加等效流力波流耦合波频运动数值放大10 倍低频运动波频运动(d）横摇图11六自由度运动的波频和低频运动平均幅值第38 卷第5期(2)2.0rad/s。图11所示为计算得到的低频和波频运动的平均幅值，部分结果以倍数形式呈现方便观察。由图11可明显看出，除了垂荡运动外，其余方向运动的主导均为低频运动。1016纯波浪波浪叠加等效流力8一波流耦合6420低频运动(b）横荡10纯波浪波浪叠加等效流力8口波流耦合(o)/群Y6纵4F20纯波浪波浪叠加等效流力12波流耦合8F数值放大10 倍数值放大10 0 倍40波频运动0.60.4F(。)/0.20低频运动波频运动(e）纵摇剧烈，然而真实环境可能更恶劣，因此在设计阶段对波流耦合进行考虑至关重要。（2）在频域角度上，低频和波频运动在等效流力的存在下并无明显变化，而波流耦合效应使横摇和横荡的谱峰频率往低频偏移，同时，除纵荡运动外，其余运动的低频能量和波频能量均在波流耦合作用下显著增大，而横荡和横摇低频运动的平均幅值增幅最明显，接近2 倍。参考文献1CHEN L,BASU B.Wave-current interaction effectson structural responses of floating offshore windturbinesJ.Wind Energy,2019,22(2):327-339.2许鑫，申辉，杨凯东，等.波流耦合作用对单点系泊系统的影响C/2015年深海能源大会论文集.2 0 15.3张晨雅，寇雨丰，吕海宁，等.经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验.上海交通大学学报，2021,55(5):497-504.低频运动(c）垂荡纯波浪波浪叠加等效流力口波流耦合数值放大10 0 倍低频运动波频运动(f)摇（下转第59页）波频运动第5期验。结果表明该方案可在抚仙湖中有效检测目标并进行轨迹跟踪，验证了水下探测声呐应用于半潜式平台水下安防系统中的有效性。参考文献1王彦鹏，冯其瑞，王怀锋.半潜式海上钻井平台水下安防预警系统声兼容分析J.声学与电子工程，2 0 2 0(2):22-24,31.2代笠，张翔龙.海洋油田平台水下安防系统航迹融合与报警技术.数字海洋与水下攻防，2 0 19,2（3)：74-79.3雷聚涛.海上油田群安防系统简述.自动化仪表，2014,39(6):17-21.4潘成胜，毛家林，杨阳.基于深度学习的主动声呐目标杨贵光，等水下探测声呐在半潜式平台水下安防系统中的应用59回波识别研究J.计算机仿真，2 0 19,37（11）：17 9-183,293.5金素宇.分布式主动声呐连续波波形设计及其目标跟踪技术D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 19.6蒋立军,杨娟,许枫.蛙人探测声呐技术研究进展.科学通报，2 0 0 9,54(3)：2 6 9-2 7 2.7FELZENSZWALB P F,GIRSHICK R B,et al.Objectdetection with 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