﻿ 风、浪、流联合作用下钻井船漂移载荷时域模拟
 舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (6): 115-120    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2020.06.023 PDF

Time domain simulation for drift loads of drilling ship
SUN Cheng-meng, LIN Hai-hua
Shandong Jiaotong University Weihai Campus, Weihai 264200, China
Abstract: Time domain simulation for drift loads of a deep-water drilling ship with a moonpool is analyzed considering the positioning. The irregular wind field is described by API wind spectrum, and the environmental parameters are set by considering the factors of wind and wave. The wind load and currents load are calculated by OCIMF based on empirical formula, and the second-order wave drift loads are calculated and analyzed by potential theory and Newman hypothesis. The numerical results are extracted and processed, and the statistical values of drift loads in different directions and under different environmental conditions are obtained, and the statistical characteristics of drift loads are analyzed. The results show that the analysis of drift loads of deepwater drilling vessels in time domain is more realistic. The drift loads caused by waves, winds and currents decrease in turn and increase rapidly with the increase of environmental conditions. When the directions of wind, flow and wave are different, it is beneficial to the positioning of drilling vessel when the bow is in head sea. Optimizing hull shape is an effective way to reduce the drift load of drilling ship.
Key words: drilling ship     drift load     time domain     dynamic position
0 引　言

1 风载荷计算原理

 \begin{aligned} & {F_{xw}} = \frac{1}{2}{C_{xw}}{\rho _w}V_{wR}^2{A_T}\text{，} \\ & {F_{yw}} = \frac{1}{2}{C_{yw}}{\rho _w}V_{wR}^2{A_L} \text{，} \\ & {M_{xyw}} = \frac{1}{2}{C_{xyw}}{\rho _w}V_{wR}^2{A_L}{L_{pp}} \text{。} \\ \end{aligned} (1)

 $S\left( f \right) = \frac{{{\sigma ^2}\left( z \right)}}{f} \cdot \frac{F}{{{{\left( {1 + F} \right)}^{5/3}}}}\text{。}$ (2)

2 流载荷计算原理

 \begin{aligned} & {F_{xc}} = \frac{1}{2}{C_{xc}}{\rho _c}V_{cR}^2T{L_{pp}} \text{，} \\ & {F_{yc}} = \frac{1}{2}{C_{yc}}{\rho _c}V_{cR}^2T{L_{pp}} \text{，} \\ & {M_{xyc}} = \frac{1}{2}{C_{xyc}}{\rho _c}V_{cR}^2TL_{pp}^2 \text{。} \\ \end{aligned} (3)

3 二阶波浪力计算原理

 $\begin{split} {F_{sv}} = & \sum\nolimits_{i = 1}^{NSPL} {\sum\nolimits_{j = 1}^{NSPL} {\left\{ {P_{ij}^ - \cos \left[ { - \left( {{\omega _i} - {\omega _j}} \right)t + \left( {{\varepsilon _i} - {\varepsilon _j}} \right)} \right]} \right\}} }+ \\ & \sum\nolimits_{i = 1}^{NSPL} {\sum\nolimits_{j = 1}^{NSPL} {\left\{ {Q_{ij}^ - \sin \left[ { - \left( {{\omega _i} - {\omega _j}} \right)t + \left( {{\varepsilon _i} - {\varepsilon _j}} \right)} \right]} \right\}} }\text{。} \end{split}$ (4)

 $F_i^{wa\left( 2 \right)}\left( t \right) = \int_0^{ + \infty } {\int_0^{ + \infty } {g\left( {{\tau _1},{\tau _2}} \right)\eta \left( {t - {\tau _1}} \right)} } \eta \left( {t - {\tau _2}} \right){\rm d}{\tau _1}{\rm d}{\tau _2}\text{。}$ (5)

4 分析模型和参数

 图 1 钻井船漂移载荷计算模型 Fig. 1 Analysis model for drift force of drill ship

5 计算结果 5.1 风载荷计算结果

 图 2 不同风向、风速下的纵向风力 Fig. 2 Longitudinal wind force under different winds

 图 3 不同风向、风速下的横向风力 Fig. 3 Transverse wind force under different winds

 图 4 不同风向、风速下的首摇风力矩 Fig. 4 Yaw wind force under different winds

 图 5 不同风向、风速下的水平面内风合力 Fig. 5 Wind force in horizontal plane under different winds

 图 6 风载荷纵向力时间历程曲线 Fig. 6 Time history of longitudinal wind force

 图 7 风载荷横向力时间历程曲线 Fig. 7 Time history of transverse wind force

 图 8 风载荷首摇力矩时间历程曲线 Fig. 8 Time history of yaw wind force

1）随着风速的增加，纵向风力、横向风力、首摇风力矩和水平面内的风合力均随之增加；

2）风向为150°时，随着风速的增加，横向风力增加的百分比明显大于纵向风力增加的百分比，即横向风力随风速增大而明显增大，随风向偏移顺风状态而明显增大；

3）180°风向（顺风）时，横向风力和首摇风力矩为零，随着风向逐渐变向船舶的横向方向，二者均逐渐增加，这是因为首摇风力矩主要是由横向风力引起的，因此二者的变化趋势是一致的；

4）水平面内的风力合力，即纵向风力和横向风力的合力，在180°风向（顺风）时最小，随着风向逐渐变向船舶的横向方向，风力合力也逐渐增加，150°风向时最大。因此，保持船首处于迎风状态对减小钻井船所承受的风载荷意义重大；

5）在以上计算工况中，风力合力的最大值出现在150°风向、风速为28.78 m/s时，其值为3.05 MN。

5.2 流载荷计算结果

 图 9 不同流向、流速下的纵向流力 Fig. 9 Longitudinal wind force under different currents

 图 10 不同流向、流速下的横向流力 Fig. 10 Transverse wind force under different currents

 图 11 不同流向、流速下的首摇流力矩 Fig. 11 Yaw wind force under different currents

 图 12 不同流向、流速下的水平面内流合力 Fig. 12 Current force in horizontal plane under different currents

 图 13 流载荷纵向力时间历程曲线 Fig. 13 Time history of longitudinal current force

 图 14 流载荷横向力时间历程曲线 Fig. 14 Time history of transverse current force

 图 15 流载荷首摇力矩时间历程曲线 Fig. 15 Time history of yaw current force

1）随着流速的增加，纵向流力、横向流力、首摇流力矩和水平面内的流合力均随之增加；

2）150°流向下，随着流速的增加，横向流力增加的百分比明显大于纵向流力增加的百分比，即横向流力随流速增大而明显增大，随流向偏移顺流状态而明显增大；

3）在180°流向时，横向流力和艏摇流力矩均为零，随着流向逐渐变向船舶的横向方向，二者均逐渐增加，这是因为首摇流力矩主要是由横向流力引起的，因此二者的变化趋势是一致的。

4）水平面内的流力合力，即纵向流力和横向流力的合力，在180°流向时最小，随着流向逐渐变向船舶的横向方向，流力合力也逐渐增加，150°流向时最大。因此，保持船首处于顶流状态对减小钻井船所承受的流载荷意义重大。

5）在以上计算工况中，流力合力的最大值出现在150°流向、流速1.5 m/s，其值的大小为779 kN。

5.3 波浪漂移载荷计算结果

 图 16 波浪2阶纵向力 Fig. 16 Longitudinal wave second force under different waves

 图 17 波浪2阶横向力 Fig. 17 Transverse wave second force under different waves

 图 18 首摇2阶波浪力矩 Fig. 18 Yaw wave second force under different waves

 图 19 波浪水平面内2阶合力 Fig. 19 Wave second force in horizontal plane under different waves

 图 20 波浪2阶纵向力时间历程曲线（β=180°） Fig. 20 Time history of longitudinal wave second force

 图 21 波浪2阶横向力时间历程曲线（β=150°） Fig. 21 Time history of transverse wave second force

 图 22 波浪2阶首摇力矩时间历程曲线（β=150°） Fig. 22 Time history of yaw wave second force

1）波浪2阶纵向力、横向力、首摇力矩和水平面内的合力均随有义波高的增大而增大。

2）波浪2阶纵向力随浪向的变化不明显.

3）180°迎浪状态下，波浪2阶横向力和艏摇力矩为零，水平面内的波浪2阶力合力最小，随着浪向逐渐向船舶的横向方向偏移而逐渐增大.因此，保持船艏处于迎浪状态对减小钻井船所承受的波浪2阶力有利。

4）在以上计算工况中，波浪2阶力合力的最大值出现在150°浪向、9 m有义波高下，其值的大小为5.02 MN。

5.4 风载荷、流载荷和波浪漂移载荷汇总

1）风、流和波浪的横向力、首摇力矩和水平面内的合力均为波浪力最大，风和波浪的纵向力较为接近，风力次之，流力最小；

2）流力和波浪力的纵向力差值较大，波浪纵向力约为流纵向力的21倍，波浪首摇力矩为流首摇力矩的5.7倍；

3）风、流和波浪产生的漂移载荷共同作用于深水作业钻井船，使其在水平面内发生位移，从而影响钻井船的定位能力。

6 结　语

1）在时域内对深水作业钻井船漂移载荷进行分析，更加具有真实性，风、流和波浪引起的漂移载荷均随环境条件的增大而快速增加。

2）根据作业海域实际海况设置漂移载荷时域分析的环境参数，并考虑风生浪因素，发现风、流和波浪引起的纵向力、横向力、首摇力矩和水平面内的合力呈波浪力较大、风力次之、流力最小的趋势。

3）180°迎风、顶流、迎浪状态下，钻井船所遭受的水平面内的漂移力最小。根据所模拟的真实海况，作用于钻井船的波浪漂移力、风力、流力呈依次减小趋势。因此，在风向、流向和浪向不同时，使得船艏处于迎浪状态对钻井船的定位有利。

4）对于钻井船而言，波浪漂移力占总漂移载荷的一半以上。因此，为改善其定位能力，最有效的措施为优化船体外型，以降低船体所遭受的波浪漂移力。

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