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非共线波浪FPSO单点系泊系统甲板上浪实验研究
肖龙飞a 陶龙宾a,b 杨建民a 李欣a
（a）上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240；
（b）纽卡斯尔大学海洋科学与技术学院NE1 7RU英国英格兰；
文章历史：
2013年12月5日接收
2014年6月22日收录
2014年7月10日在线提供
摘要（Abstract）
浮式生产，存油装卸系统（FPSO）已被广泛应用于近海生产，但在恶劣海洋环境中，经常遭受波浪起伏和甲板上浪（wave runup and green water）。它不仅出现在船艏，而且还出现在非共线环境的舷侧（broadside），对甲板设备造成损害。在考虑了非共线环境和不同水深的情况下，对浅水区300kDWT FPSO的波浪起伏和甲板上浪（wave runup and green water）进行了实验研究。它揭示了波浪起伏和沿着海边的甲板上浪可能在斜浪中显着，特别是在船中部的位置。水深以及浮体与海床之间的间隙对浅水中的波浪起伏和甲板上浪具有重要影响，而船舶垂直运动的影响相对较小，可以忽略不计。广泛的舷侧（broadside）被认为是在浅水中遭受甲板上浪事件，这往往是由于船中部的严重程度越来越严重。在那里，水从入射波和反射波中累积。大量的研究结果将有助于提高对波浪起伏特性的理解，并为数值预测提供必要的基准。
关键词：FPSO 波浪起伏 甲板上浪 船舷（Broadside） 非线性条件
1. 介绍(Introduction)
（1）作为最受欢迎的浮式生产系统，船舶型浮式生产，存储和装卸装置（FPSO）已广泛应用于近海生产，具有明显的优势，包括不需要昂贵的出口管线，可在多个地点重复使用，并且可以移动以避免极端天气情况。这些特点使得FPSO成为竞争系统和经济解决方案，特别是对边缘领域的开发。业界普遍认为，FPSO在恶劣的海洋环境中经常遇到波浪起伏和甲板上浪的情况。它不仅发生在船艏，而且还发生在单点系泊FPSO暴露于非共线环境造成甲板设备损坏并影响安全运行的情况下。虽然已经有大量工作致力于普通海上结构的冲浪运动，但FPSO的波浪起伏和甲板上浪情况仍然是世界不同地区经营者的主要关注点，也是研究者们关注的问题。
（2）作为强非线性船波相互作用问题之一，甲板上浪通常发生在恶劣的海洋环境中。当波浪在船舶表面上升并明显超出干舷时。当甲板上浪时，流速的增加会撞击上层建筑而且设备会引起破坏（Faltinsen等人。2002年）。对于拥有大量甲板设备和上层建筑的FPSO来说，甲板上的积水可能会造成巨大的冲击力并损坏建筑物。对于帆船来说，通过改变航线等一些操作方法可以避免甲板上浪的情况发生。然而，对于永久停泊在特定海上油气田的FPSO，很少能及时采取措施来减少甲板上浪的发生，并且由甲板上浪带来的后果可能会更加严重。在过去的几十年中，报道了一些由严重的甲板上浪事件引起的船艏损坏和上部结构FPSO失效的案例（MacGregor等，2000；Vestboslash;stad，1999； Ersdal和Kvitrud，2000）
（3）由于涉及水射流，波浪破碎，波动和缠绕等具有强烈非线性的性质，波浪起伏和甲板上浪（wave runup and green water）难以通过数值模拟进行定量评估。最传统和最有效的方法仍在进行实验，尽管许多关于甲板上浪问题的数值研究都采用了不同的方法，例如溃坝理论和越浪理论（Greco等，2000；Yilmaz等，2003年），洪水理论和浅水波理论（Ogawa等，1998；Stansberg等人，2002）。
直接Navier-Stokes方程求解器（Nielsen和Mayer，2004;；Zhu等人，2009）和平滑粒子流体动力学（SPH）方法（Goacute;mez-Gesteira等人，2005； LeTouzeacute;等，2010）。在这些理论中，溃坝理论被应用于近似于水的甲板上浪，然后用洪水理论来模拟在时间域上，水流在甲板上的传播。
早期调查（Ochi，1964；O#39;Dea和Walden，1984；Hong等人，1993）在前进的帆船上进行。研究工作的重点是甲板上的水的流动机理和冲击载荷，以及垂直运动，干舷，波浪等参数，船艏形状，前进速度等相关因素。例如，通过一组规则波浪和不规则波浪的实验发现船艏不仅显著影响甲板湿度，而且影响全球船舶运动，因此也影响着相对垂直运动（Lloyd等，1985；Watanabe，1990）。Hamoudi和Varyani（1998）通过考虑超出干舷的相对垂直运动的阈值，实验性地调查了高速集装箱船发生甲板上浪的可能性。结果表明：船艏周围的水流速度受到船艏存在的严重干扰，甲板上浪出现的可能性主要由干舷决定。通过三种不同的船头几何形状和各种波浪陡度实验，Barcellona等人（2003）报道说，通过使用瞬态测试技术和透明材料甲板模型，研究了一种受约束的船舶在船艏波上的流场演化。通过将波能量聚焦于具有适当相位关系的波列中，并用于测试短时间的波—船相互作用，产生了波包。图像分析显示，水运总是从自由表面开始，超过干舷，下沉到甲板上，形成复杂的空腔，使空气进入内部。然后，水沿着甲板传播，影响结构，向上运行，然后向后冲入甲板，仍然浸湿。
（4）作为一个船形的运动单元，流体动力学可以将FPSO看作一种无前进速度的船舶进行研究。Buchner和Voogt（2000年）描述了一种预测水流速度的方法，并根据实验数据确定了一种方法来确定甲板上浪的大小，以及风向标FPSO的船艏结构上产生的冲击荷载。这些不仅是干舷超越水平的函数，而且是FPSO的船艏外飘角。Faltinsen等人（2002年）分析了头部海浪中FPSO船艏区域的甲板上浪荷载作用下的流体动力机制，并总结了入射波陡度，三维流动效应，船舶运动和船体参数的重要性。二维实验表明，在小的时间尺度上，一旦超过了干舷，在进入甲板之前，入射波前倾和俯冲到甲板上，引起局部的高冲击压力。Fyfe和Ballard（2003年）研究了相对波高的长期分布，以及在两种典型FPSO构型中，极端事件可能发生在船艏的海洋状态的识别。研究表明，最严重的甲板上浪很少以最大波峰高度为特征，与船舶运动特征周期显示出复杂的依赖性，而且长期发生在特定的海况。Xu等人（2008年）报告了对弯曲FPSO船艏的断裂波冲击载荷的研究。从实验中，确定了一种基于底层线性波的波前陡化的经验关系。在不同的陡峭海况下的临界波会产生最严重的影响。 Stansberg等人（2010年）描述了在恶劣天气中预测FPSO的波浪冲击载荷的改进工程方法和程序，其中推荐了实用的方法，并建立了快速、准确、可靠的预测模型试验程序。
（5）然而，报道的调查很少考虑水深的影响。事实上，水深不仅影响入射波传播，而且还会影响波浪——船体相互作用中的波浪起伏和甲板上浪，特别是在浅水中。近年来，中国渤海湾地区，已投入生产了几座带有塔架系泊系统的大型FPSO，水深仅为20米左右。海湾成为世界上使用FPSO的最浅的海上油田。对于在这种浅水中永久停泊的大型FPSO，需要对船体与海床，船体和系泊结构之间的安全性能和碰撞风险给予更多的关注（Xiao et al。，2007年）。在甲板设备上的冲击荷载作用下，应特别注意波浪起伏和甲板上浪。
（6）此外，所报道的调查主要集中在船艏区域的甲板上浪和水冲击，以及具有风向效应的FPSO。由于单点系泊系统的风向效应，FPSO的船艏通常会暴露在极端的波浪中，而以往的数值和实验研究都非常重视头波中的甲板上浪问题。然而，在非共线风，波浪和水流中，FPSO可能会遇到斜波，并且舷侧也将遭受到波浪起伏和甲板上浪问题（Vestboslash;stad，1999年），特别是在浅水应用中。
（7）考虑到非共线环境和浅水条件，进行波盆试验对波浪起伏和甲板上浪问题进行研究比较现实和可靠，因为理论或数值研究会遇到困难，如同时模拟复杂的六个自由度运动和非线性波，耦合电流，风浪中的变形。进行了一项实验研究，考虑到非共线环境和不同水深，在浅水中用转塔式系泊系统沿300kDWT FPSO的舷侧测量了波浪起伏和甲板上浪。统计和光谱分析都是在测得的运动和相对波高上进行的。详细研究了运动的影响以及漂浮物和海床之间的间隙对相对波高和波浪起伏的影响。
2. 实验程序（Experimental program）
2.1 实验装置（Experimental setup）
（1）为了研究在浅水中非共线环境下FPSO沿岸的波浪起伏和甲板上浪现象，在中国上海交通大学海洋工程学院进行了一个实验项目。实验水池长50米，宽30米，深6米。通过使用双襟翼型水力造波器，高压水射流式全球电流发电系统和风扇矩阵，可以模拟包括共线和非共线波浪，海流和风的各种海洋环境。通过移动大面积假底的位置，可以根据需要将实验水深进行0-5米的调整。
（2）实验采用了300kDWT的 FPSO模型，该模型的的垂线长度为313m。图1显示了FPSO的船身结构，表1列出了FPSO的主要参数。
图1 FPSO的船身结构
表1 FPSO的主要参数
如图2所示，应用塔架系泊系统将FPSO保持在实验中的位置和模型。它由塔架，轭架，压载物，吊坠和支撑框架组成，并作为导致船只的风向标效应的单点系泊系统。 在船艏前的固定塔上，船舶可以自由地绕垂直轴旋转。轭被设计成与塔和船接口，同时将系泊力传递到轴承中。
图2 FPSO系统模型；图（a）单点系泊系统示意图；图（b）实验水池模型；
（3）原型和模型之间的线性比例为1:70。
（4）该实验的主要目标是为在非共线海洋环境中沿FPSO边缘的全球运动，波浪起伏和甲板上浪提供可靠的数据。非接触式光学捕获系统用于测量船舶重心处的六个自由度运动。许多电阻型波浪探测器用于测量船舶上的相对波高和模型附近盆地中的波浪高度。
如图3所示，沿着FPSO的港口侧以1 / 8Lpp的间隔从船尾向船艏安装了9个波浪探头，以测量波浪起伏和甲板上浪。在测试过程中，船舶的左舷被安排在上游并且暴露于传入的斜波。
图3 在FPSO模型上设置测波仪
2.2 实验程序（Experimental program）
（1）实验程序包括用于验证建模的静态偏移测试和衰减测试，用于获得运动响应传递函数的白噪声波测试以及与非共线设计风暴相对应的不规则波测试。 考虑到沿船舷观察波浪起伏和甲板上浪的实验目标，最差的非共线环境是从FPSO在渤海湾运行期间所经历的极端海洋环境中选取的。为了进行比较分析，选择了不同水深和不同波浪条件的试验箱。
（2）表2显示了实验中考虑的所有不规则波测试工况。
表2 实验时所设计的测试工况
其中，h是水深；Hs是有效波高，Tp是峰值波周期，Vw是平均风速，Vc是平均表面电流速度。 非共线环境Hs = 6.0m和Tp = 10.5s是所谓的设计风暴。 模拟稳定的风和均匀的电流。 典型的JONSWAP谱用于不规则波的仿真，形状系数gamma;= 3。
图4 非共线风浪流工况测试
（3）如图4所示的非共线环境包括波浪，风和流，如表2所示的六个测试工况。由非共线环境引起的单点系泊FPSO由于风向标作用将暴露于倾斜波，自由旋转。考虑两个水深来调查船底和海床之间的间隙的影响。相比之下，第四和第五个测试工况也考虑了一个没有风和流的环境条件。在工况4条件下，由于仅在该波浪条件下通过使用单点系泊系统的风向效应，FPSO会接触到头波。而在工况5条件下，FPSO将通过使用双点mo system系统（DPM）来接触到斜波。 DPM由一个额外的点锚系和单点系泊系统组成。每个不规则波浪测试工况的持续时间约为22分钟，对应于原型的3小时。
3. 结果与讨论（Results and discussion）
在将模型放置在实验水池之前，将指定的不规则波与或不与流一起校准，以使得到的谱密度分布和波群谱紧密匹配相应的目标光谱。
图5. 波谱校准
图6. 水平力和挠度曲线的对比
图5为标定结果之一，良好的一致性表明已经实现了高质量的波生成。通过与目标值的比较，来验证模型FPSO和系泊系统的所有必要特性。例如，图6中的测量和目标水平恢复曲线显示出良好的一致性。
3.1. 运动响应（Motion response）
（1）相对波高表示入射波，衍射波和船垂直运动的组合效应。 因此，对于FPSO的波浪起伏和甲板上浪，FPSO的垂荡、横摇、纵摇运动是要考虑的关键运动模式。在非共线环境中，如图4所示，偏航运动表示船舶航向和入射波方向之间的夹角。它对船舶的垂直运动和相对波高起着重要作用。
（2）图7和8显示了所有测试工况下，FPSO垂摇、垂荡、横摇、纵摇运动的最大值，平均值和最小值。 图中还
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