我国结合渤海浅水大型油气田开发而开展的浅水大型FPSO水动力特性研究,具有中国特色。主要研究包括了FPSO在浅水或极浅水下的响应分析
1、国外发展
文献[1]将驳船平行布置后,通过二维切片理论,分析研究了两船之间的相互作用。文献[2]在对两浮体之间的相对运动和水体的波面变化进行研究时,比较了线性势流理论和三维源汇分布法,认为三维源汇分布法的结果更加精确。文献[3]对波浪中多浮体的水动力相互作用采用了高阶边界元和直接压力积分法进行了分析。在这些研究中,利用线性势流理论计算得到船体的水动力系数,然后以这些系数为基础得到时延函数,再对船体进行时域范围内的计算。
自文献[4]开创性地运用压力积分法求解二阶波浪慢漂力起,很多研究人员对系泊浮体二阶波浪力越来越有兴趣[5~9]. 大量理论和实验研究[10~13]都表明,在水深越大,系泊链的动态特性对浮体运动的影响越显著。随着深水FPSO的应用越来越多,必须发展完全耦合的水动力时域数值分析模型。
文献[14]建立了全耦合模型,对其在时域内的运动响应和水动力作用的研究采用了3种方法,同时还模拟了护舷的受力。文献[15]考虑了横摇粘性阻尼,对多浮体结构在不规则波浪中的运动响应进行了模拟计算,与模型试验结果进行了对比。文献[16]考虑了锚链的非线性、护舷的作用和横摇粘性效应,对并联系泊有航速的两船的耐波性和操作性能采用了一种有效的时域方法进行评估。
在研究FPSO和LNG船之间的水动力响应方面,文献[17]对两船并联布置时的有关参数进行了敏感性分析,包括了环境变化、压载情况、推进器尺寸以及FPSO的容量都进行了评估计算。文献[18] 采用时域模拟的方法,得出结果后与频域结果相比较,并讨论了两者的差异。文献[19]综合考虑了两船之间的水动力作用和靠泊连接的非线性作用力,对系统运动进行频域分析和时域分析。
2、 国内发展
我国结合渤海浅水大型油气田开发而开展的浅水大型FPSO水动力特性研究,具有中国特色。主要研究包括了FPSO在浅水或极浅水下的响应分析、内转塔系泊下的耦合作用以及系泊系统的运动特性等等。
FPSO外输作业时,多浮体系统受到很多因素的影响,比如装载工况、系泊缆绳和海况参数等等。文献[20] 考虑了两船之间的相互干扰,计算了水动力性能,得到一系列数据,比如RAO、一阶波浪力和二阶定常力等等。通过改变参数,对比两船体水动力性能的变化,以此分析参数对性能的影响。在进行时域分析时,计算了不同工况、不同长度的缆绳、不同风速下的系统响应,对比分析不同状态和不同参数对多浮体系统响应的影响。
对于FLNG与LNG旁靠方式下LNG的卸载,因为两艘船距离较为接近,所以不光要考虑水动力的耦合,也要关注船体与系泊系统、船体与连接系统间的耦合。文献[21]通过水池模型实验,模拟了FLNG与LNG旁靠方式下LNG的卸载,得到了FLNG船体在风、浪、流共同作用下的运动响应、两船间的相对运动、系泊系统和连接系统的受力情况等。同时借助统计手段分析了实验数据,讨论了FLNG进行旁靠卸载作业时的水动力性能。
在内转塔系泊FPSO这个浮式多体系统中,不仅内转塔和系泊缆的耦合存在着,内转塔和FPSO的耦合也存在着。在二阶差频力的影响下,FPSO的纵荡、横荡和艏摇很容易产生大幅运动;而FPSO的垂荡、横摇、纵摇的固有频率在波频范围内,容易发生共振。文献[22]考虑了船体风、流载荷,采用三维势流理论计算作用在船体上的一阶和二阶波浪力。研究发现,FPSO纵荡运动响应主要集中在低频区域;垂荡和纵摇运动响应主要集中在波频区域;系缆张力中低频成分和波频成分都很显著。这对于内转塔系泊FPSO系泊系统设计具有一定的指导意义。