CN113776775B - 一种风浪环境下单点系泊系统流载荷的等效模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法，采用拉绳、定滑轮组和砝码给FPSO模型施加与流载荷方向相同的水平拉力，当模拟迎浪流载荷时，在模型的船体尾封板上横向居中设置连接点Ⅰ，连接点Ⅰ与模型的重心等高；将定滑轮组连接在拖车上，然后将拉绳的一端连接在连接点Ⅰ上，而后水平引出，依次绕经下端滑轮和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码，当模拟非迎浪流载荷时，在FPSO模型背向流载荷的舷墙上纵向居中设置连接点Ⅱ，沿流载荷方向规划拉绳的水平走向。本发明可以更为真实的模拟和预报FPSO单点系泊系统在作业海况下的运动和受力，为FPSO的设计、建造以及安全生产运营提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及单点系泊系统模型试验技术领域，特别是一种风浪环境下单点系泊系统流载荷的等效模拟方法。
背景技术
近年来，我国的石油消费总量呈逐年增加的趋势，而陆地石油资源已经不足以满足我们的需求，因此勘探和生产活动逐渐向离岸更远的深海海域发展。浮式生产储卸油平台FPSO(Floating Production Storage and Offloading vessels)是一种集油气开发、生产处理、储存外输和人员居住于一体的综合性的大型海洋石油开采工程装备。随着世界各国资源战略不断地向深海发展，FPSO已成为当今海洋开发的主流设施。根据不同海域海况条件，FPSO主要采用的系泊方式有散布式系泊系统、动力定位系统和单点系泊系统。其中单点系泊系统可以通过风标效应自动调整船首以对准风浪方向，从而使风浪对船体影响降至最低，所以这种系泊方式应用最为普遍。
为了确保FPSO可以长期在海上进行生产作业，新设计的FPSO一般都要进行专门的模型试验研究，特别要进行相应于生存海况和作业海况条件时风、浪、流作用下的模型试验。在试验中测量模型的运动和受力，进而预报FPSO实体在海洋环境条件下的运动和受力，为FPSO的设计、建造以及安全生产运营提供科学依据。试验中风和浪的模拟分别是由专门的风机组以及造波机来实现的，但是对于真实流场的模拟实现起来较为困难，大多数的海洋工程水池目前尚未配备相关的设施。为了得到更为准确可靠的模型试验结果，一种便捷可靠的流载荷模拟方法是水池缩尺比模型试验亟待解决的重点技术。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法，采用拉绳、定滑轮组和砝码给FPSO模型施加与流载荷方向相同的水平拉力，所述定滑轮组安装在支撑架上，设置在同一竖直立面内，设有下端滑轮和位于所述下端滑轮上方的上部滑轮；当模拟迎浪流载荷时，在FPSO模型的船体尾封板上横向居中设置连接点Ⅰ，所述连接点Ⅰ的高度与FPSO模型的重心高度相同；使横跨试验水池的拖车位于FPSO模型的后方，将所述支撑架连接在拖车上，并使所述定滑轮组和所述连接点Ⅰ位于同一竖直立面内，所述下端滑轮的内槽下部出口高度与FPSO模型重心的垂向高度相同；然后将拉绳的一端连接在连接点Ⅰ上，而后沿流载荷方向水平引出，依次绕经下端滑轮和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码，施加的砝码质量m1为纵向流载荷除以重力加速度；当模拟非迎浪流载荷时，在FPSO模型背向流载荷的舷墙上纵向居中设置连接点Ⅱ，所述连接点Ⅱ的高度与FPSO模型的重心高度相同；沿流载荷方向规划拉绳的水平走向，沿该走向确定定滑轮组的安装位置，然后将所述支撑架与试验水池池壁固接；将拉绳的一端连接在连接点Ⅱ上，而后水平引出，依次绕经下端滑轮和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码，施加的砝码质量m2采用以下公式计算：式中，Mz为流力力矩，l为FPSO内转塔中心到拉绳的垂直距离，g为重力加速度。
所述下端滑轮位置可调地连接在所述支撑架上。
所述支撑架设有立杆，在所述立杆的上端设有悬臂杆，所述上部滑轮有两个，一个安装在所述悬臂杆的悬臂端上，另一个安装在所述立杆的上端部，所述下端滑轮安装在所述立杆的下端部。
本发明具有的优点和积极效果是：将模型受到的流载荷通过等效转化的方法转化为便于操作的砝码重力，为模拟流场的海洋工程模型试验提供了一种思路，丰富了水池试验模拟流载荷的方法。可以更为真实的模拟和预报FPSO单点系泊系统在作业海况下的运动和受力，为FPSO的设计、建造以及安全生产运营提供科学依据。
附图说明
图1为应用本发明模拟迎浪流载荷时的侧视图；
图2为应用本发明模拟非迎浪流载荷时的俯视图；
图3为图2的侧视图；
图4为应用本发明模拟非迎浪流载荷时砝码质量求解示意图。
图中：1、FPSO模型；1-1内转塔；2-1、连接点Ⅰ；2-2、连接点Ⅱ；3、拉绳；4、定滑轮组；4-1、下端滑轮；4-2、上部滑轮；5、水池侧壁；6、支撑架；6-1、立杆；6-2、悬臂杆；7、砝码；8、拖车。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，一种风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法，采用拉绳3、定滑轮组4和砝码7给FPSO模型1施加与流载荷方向相同的水平拉力，所述定滑轮组4安装在支撑架6上，设置在同一竖直立面内，设有下端滑轮4-1和位于所述下端滑轮4-1上方的上部滑轮。
请参阅图1，当模拟迎浪流载荷时，在FPSO模型1的船体尾封板上横向居中设置连接点Ⅰ2-1，所述连接点Ⅰ2-1的高度与FPSO模型1的重心高度相同；使横跨试验水池的拖车8位于FPSO模型1的后方，将所述支撑架6连接在拖车8上，并使所述定滑轮组4和所述连接点Ⅰ2-1位于同一竖直立面内，所述下端滑轮4-1的内槽下部出口高度与FPSO模型1重心的垂向高度相同；然后将拉绳1的一端连接在连接点Ⅰ2-1上，而后沿流载荷方向水平引出，依次绕经下端滑轮4-1和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码7，施加的砝码质量m1为纵向流载荷除以重力加速度，理由如下：
迎浪流载荷，即180°方向下的流载荷，模拟方向固定，依据《OCIMF Prediction ofwind and current loads on VLCCs》规范中纵向流载荷的经验公式，即式(1)，可以计算得到模型尺度下的流载荷，再将之等效成砝码质量即可，计算较为简单；
式中，Fx为纵向流载荷，Cx(θ)为与流攻角相关的纵向流力系数，ρ为流体密度，Vc为流速，B为型宽，T为吃水。
Fx＝m1g
m1＝Fx/g
请参阅图2～图4，当模拟非迎浪流载荷时，在FPSO模型1背向流载荷的舷墙上纵向居中设置连接点Ⅱ2-2，所述连接点Ⅱ2-2的高度与FPSO模型1的重心高度相同；沿流载荷方向规划拉绳3的水平走向，沿该走向确定定滑轮组4的安装位置，然后将所述支撑架6与试验水池池壁5固接；将拉绳3的一端连接在连接点Ⅱ2-2上，而后水平引出，依次绕经下端滑轮4-1和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码7，施加的砝码质量m2采用以下公式计算：
式中，Mz为流力力矩，l为FPSO内转塔中心到拉绳的垂直距离。
理由如下：
若流载荷的流向为非迎浪方向的其他方向，根据上述OCIMF规范中的经验公式，即式(2)，可以计算实体FPSO的关于内转塔中心在不同流攻角下的流首摇力矩，通过缩尺比计算模型FPSO的首摇力矩；
式中，Mz为流力力矩，Cz(θ)为与流攻角相关的艏摇流力系数，ρ为流体密度，Vc为流速，LBP为垂线间长，T为吃水。
假设FPSO模型内转塔1-1的中心固定不动(实际上会动，但经后续验证，内转塔1-1中心的实际移动对施加砝码质量影响很小，在百分之五以内故忽略其影响)，拉绳3随着FPSO的首摇转动而移动，通过滑轮组4，内转塔1-1中心和连接点在水平面内的位置可以确定内转塔中心到连接点和滑轮组之间的连接线的垂向距离，即砝码重力关于内转塔中心的力臂，进而得到要施加的流力力矩。由于FPSO模型在不同的流攻角下流首摇力矩不同，而FPSO模型首摇后，砝码重力关于内转塔1-1中心的力臂也会变化，在假定内转塔1-1中心不变的基础上，根据几何关系计算FPSO在不同首摇角下所需要施加的砝码质量。
设连接点为A，定滑轮滑轮组为B，内转塔中心为C，旋转之后的连接点为D，重力加速度为g。由于初始位置已知，所以ΔABC三边确定，∠ACB可以由余弦定理求出：
所以：
∠BCD＝∠ACB+α (4)
其中，艏摇角α可以采用六自由度运动仪测得。
ΔBCD中BD边的垂线，即力臂l：
流力力矩已知，即可求出砝码质量：
在本实施例中，所述下端滑轮4-1位置可调地连接在所述支撑架6上，便于安装调整。更加具体的结构为：所述支撑架6设有立杆6-1，在所述立杆6-1的上端设有悬臂杆6-2，所述上部滑轮4-2有两个，一个安装在所述悬臂杆6-2的悬臂端上，另一个安装在所述立杆6-1的上端部，所述下端滑轮4-1安装在所述立杆6-1的下端部，结构简单，使用方便。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法，其特征在于，采用拉绳、定滑轮组和砝码给FPSO模型施加与流载荷方向相同的水平拉力，所述定滑轮组安装在支撑架上，设置在同一竖直立面内，设有下端滑轮和位于所述下端滑轮上方的上部滑轮；
当模拟迎浪流载荷时，在FPSO模型的船体尾封板上横向居中设置连接点Ⅰ，所述连接点Ⅰ的高度与FPSO模型的重心高度相同；使横跨试验水池的拖车位于FPSO模型的后方，将所述支撑架连接在拖车上，并使所述定滑轮组和所述连接点Ⅰ位于同一竖直立面内，所述下端滑轮的内槽下部出口高度与FPSO模型重心的垂向高度相同；然后将拉绳的一端连接在连接点Ⅰ上，而后沿流载荷方向水平引出，依次绕经下端滑轮和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码，施加的砝码质量m1为纵向流载荷除以重力加速度；
当模拟非迎浪流载荷时，在FPSO模型背向流载荷的舷墙上纵向居中设置连接点Ⅱ，所述连接点Ⅱ的高度与FPSO模型的重心高度相同；沿流载荷方向规划拉绳的水平走向，沿该走向确定定滑轮组的安装位置，然后将所述支撑架与试验水池池壁固接；将拉绳的一端连接在连接点Ⅱ上，而后水平引出，依次绕经下端滑轮和上部滑轮，最后向下引出施力端，在施力端上施加砝码，施加的砝码质量m2采用以下公式计算：
式中，Mz为流力力矩，l为FPSO内转塔中心到拉绳的垂直距离，g为重力加速度。
2.根据权利要求1所述的风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法，其特征在于，所述下端滑轮位置可调地连接在所述支撑架上。
3.根据权利要求1所述的风浪环境下单点系泊系统模型试验流载荷的模拟方法，其特征在于，所述支撑架设有立杆，在所述立杆的上端设有悬臂杆，所述上部滑轮有两个，一个安装在所述悬臂杆的悬臂端上，另一个安装在所述立杆的上端部，所述下端滑轮安装在所述立杆的下端部。
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