通用型FPSO极端海况下的甲板上浪分析

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通用型FPSO(Floating Production Storage and Offloading)由中国船舶上海外高桥造船和中国船舶及海洋设计研究院联合设计,具备多种海域适用性、多种系泊方式等特性。目前,通用型FPSO首制船已完成制造并顺利下水交付。为了探究通用型FPSO在耐波性方面是否仍然存在改进和优化的空间,同时降低生产成本和提升船舶性能。本文对通用型FPSO在甲板上浪现象中的性能和表现进行评估,主要通过对比和量化的方式来评估其耐波性中的关键因素,以得到通用型FPSO的设计和优化方法。本文应用了当前主流的CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,结合实验数据和理论对其在极端海况下的甲板上浪现象进行研究,基于有限元计算原理对网格技术、船型设计和极端海况下的甲板上浪现象进行分析。所使用的数值模拟求解软件为Ansys Fluent。本文的主要研究内容包括以下几个部分:(1)基于有限体积法中的网格技术,对不同空间步长的网格模型进行CFD数值模拟计算,研究网格模型对于CFD计算结果所造成的影响。结果表明,随着网格数量的增长和空间步长的减小,计算所得的通量值趋于收敛,不再变化。通过校验船级社对波浪载荷的规范,发现空间步长小于或等于4m时,满足于工程设计上的指标参数且可以满足大规模的计算需求。因SILVA数值模拟的网格模型中存在波浪传递层和船体区域的网格细化,为探究其中波浪传递层的网格对于数值模拟的计算精度影响,基于Fluent Meshing中的BOI方法实现了波浪传递层的网格细化数值模拟,发现了波浪传递层的网格对于上浪现象造成了明显的差异,推断造成这种差异的原因为波浪层网格尺寸过大,使其在应用于空间推进的计算时(主要为波浪传递方向),使得船首处网格的体积分数的计算错误,认为在整体网格尺寸过大时波浪层网格细化在甲板上浪现象中是有效且必要的。(2)为了探究通用型FPSO独特的船首外飘造型对其耐波性的影响,将船首外飘板提高了3.5m,并与模型原型进行对比。通过模拟和计算后发现船首外飘使得通用型FPSO的抵抗上浪性能显著提高,但同时会引起局部砰击载荷的增大,校验了船首区域砰击载荷,仍满足船级社的设计需求,因此独特的船首外飘造型总体提高了通用型FPSO的耐波性能。(3)考虑到通用型FPSO在极端海浪来临时可能遭遇船长误判、系泊系统故障等情况的发生,使通用型FPSO船首无法直接对准来浪方向,导致斜浪、横浪和船尾发生上浪等多种浪向情况。为了模拟各个浪向下通用型FPSO的上浪现象,对浪向分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°的7种情况进行了模拟,发现除船首可以成功抵御巴西海域100年重现期的极端海浪外,其他情况下均发生了不同程度的上浪现象。另外,发现了船首外飘板不仅对船首上浪现象具有抵抗能力,对首斜浪仍具有抵抗能力,使得首斜浪状况下的上浪程度更低。在浪向为90°、120°和180°的情况下,上浪威胁程度极高,几乎整个甲板被水覆盖,需对其评估进一步的倾覆风险。
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