﻿ 基于CFD方法的系泊状态FSO舵载荷计算
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (20): 15-21    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.20.003 PDF

1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011;
2. 江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003;
3. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003

Rudder load calculation of mooring FSO based on CFD method
CUI Yu-tao1, LI Yang1, ZHAO Ke-xiang1, GU Jia-yang2, TAO Yan-wu3
1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China;
2. Marine Equipment and Technology Institute, Jiangsu University of science and technology, Zhenjiang 212003, China;
3. School of Ship and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: Rudder equipment is an important equipment for ship maneuvering. Traditional rudder performance calculation and structural design are mostly carried out for navigation ships, and less attention is paid to the rudder wave load of ships moored in position. In this paper, the CFD method is used to calculate the rudder load when a moored FSO (Floating Storage and Offloading) encounters extreme waves. Firstly, the maximum encounter angle between the hull and the wave is evaluated according to the critical operating conditions of the FSO, and then a numerical wave tanker is established to evaluate the characteristics of the rudder torque in the actual sea state at the maximum encounter angle. The results show that the rudder torque under extreme sea conditions will exceed the standard design rudder torque, posing a threat to the safety of the rudder system. The research in this article can provide reference for the design of the same type of rudder structure.
Key words: mooring FSO     rudder design     wave load     numerical wave tanker
0 引　言

1 船体和舵结构尺度 1.1 船体参数

 图 1 海洋石油121总布置 Fig. 1 General layout of “Haiyang shi you 121”

1.2 舵参数

 图 2 舵设备布置图 Fig. 2 Rudder equipment layout

 图 3 舵系结构三维模型 Fig. 3 3D model of rudder system structure

 图 4 舵叶及挂舵臂尺寸 Fig. 4 Dimensions of rudder blade and rudder horn
2 计算条件确定

FSO处于系泊状态时，船体会对舵区域的波浪起到较大的遮蔽效应，按照经验，船体与波浪的遭遇角越小，船体对舵所在位置的波浪遮蔽效应越明显，舵受到的波浪载荷也越小，因此在进行舵载荷计算时应先确定船体在实际海况下可能发生的最大首摇角。本文采用Aqwa软件建立目标FSO水动力模型和系泊模型，计算解脱海况下船体与波浪可能发生的最大首摇角，作为舵载荷直接计算时船体与波浪的遭遇角。

FSO内转塔下方布置8根悬链式系泊缆，系泊缆呈对称径向布置在内转塔上。系泊缆绳由有档顶链、钢缆、拖地钢缆和锚链等组成，系泊缆总长为1 272 m，系泊半径为1 170.5 m。图5为海洋石油121系泊系统布置图。

 图 5 FSO系泊布置图 Fig. 5 Mooring layout of FSO

 图 6 风流载荷系数 Fig. 6 Wind and current load coefficient

 图 7 不同风-流组合下首摇角范围 Fig. 7 Yaw angle range under different wind current combinations

3 数值计算方法 3.1 数值水池建立

 图 8 三维数值水池计算域划分图 Fig. 8 Layout of calculation domain of 3D numerical wave tanker
3.2 网格划分

 图 9 计算域网格 Fig. 9 Mesh generation of computing domain

 图 10 重叠网格划分 Fig. 10 Mesh generation of overset mesh

 图 11 舵系区域网格细化 Fig. 11 Mesh refinement of rudder zone
3.3 边界条件

 图 12 计算域和波浪分布图 Fig. 12 Simulation domain and wave distribution
3.4 数值方法

3.5 造波质量验证

 图 13 波高理论值与数值模拟值对比 Fig. 13 Comparison between analytical value and numerical value of wave height
4 舵载荷计算结果 4.1 舵力矩计算结果

 图 14 舵力矩时历曲线 Fig. 14 Time history of rudder torque

 图 15 900～925 s时间段舵力矩曲线 Fig. 15 Rudder torque curve during 900～925 s

4.2 舵系区域波面变化

 图 16 舵区域典型波面状态 Fig. 16 Typical wave surface scenes of rudder zone

5 结　语

1）通过风-浪-流组合下系泊在位FSO运动响应分析发现，设计解脱工况下船体的最大首摇角达到35°左右。

2）在计算极端海况下，舵实际受到舵力矩远大于船级社经验公式的计算值，可能对舵结构造成损伤；舵叶附近的水面情况复杂，舵叶出现往复出水和入水现象，波面与船体严重拍击时会出现波浪破碎。

3）建议同类型作业船舶的舵设计需考虑在位工况船体运动和吃水变化，尽量让舵叶远离轻载水线，并尽量减少舵面积。操作方面，建议该类浮式装置在台风来临前进行必要的压载以使船体吃水最大或提前撤离台风影响海域。

 [1] 船舶设计实用手册(舾装分册)[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013. [2] 林友红. 半悬挂舵的敞水水动力性能与舵力预估方法研究[J]. 舰船电子工程, 2015, 35(10): 142-147. DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.037 [3] 田野, 张文斌, 王平, 等. 舵系直接计算法设计[J]. 造船技术, 2020(4): 34-37. [4] 叶金铭, 王威, 于安斌, 等. 抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析[J]. 上海交通大学学报, 2017, 51(3): 314-319. DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2017.03.011 [5] 王小龙, 樊涛, 王璐玭. 悬挂式扭曲舵的设计和计算[J]. 船舶工程, 2020, 42(6): 49-54. [6] SUN C, WANG C, SUN S, et al.. Numerical prediction analysis of the fluctuating pressure and rudder force of full-scale hull-propeller-rudder system[J]. Ocean Engineering, 2018, 147: 580-590. DOI:10.1016/j.oceaneng.2017.11.006 [7] 张维鹏, 胡健, 陈崇格. 船-桨-舵结合下的舵两侧载荷偏移现象分析[C]//第三十一届全国水动力学研讨会论文集(下册), 2020: 456−461. [8] H YASUKAWA, ISHIKAWA T, YOSHIMURA Y. Investigation on the rudder force of a ship in large drifting conditions with the MMG model[J]. Journal of Marine Science and Technology, 2021, 1-18. [9] 甘水来, 吴幼奇, 靳盼盼. 大型船舶挂舵臂设计研究[J]. 船舶工程, 2019, 41(4): 17-22+113. DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2019.04.04 [10] 邓先国, 党长青, 葛兴伟. 50000吨半潜船满足冰区加强舵系设计研究与优化[J]. 广船科技, 2021, 41(3): 12-16. DOI:10.3969/j.issn.2095-4506.2021.03.005 [11] 郝恒, 杜一凡, 曹海斌. 船舶舵设备可靠性设计[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(1): 48-53. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2019.01.009 [12] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 2001. 北京. [13] KAASEN K E, LUDVIGSEN H , NYGAARD I , et al. Theoretical and experimental study of heading stability and heading control of a turret-moored FPSO[C]//Asme International Conference on Ocean, 2017. [14] Sanchez-Mondragon J, AO Vázquez-Hernández, Cho S K, et al. Yaw motion analysis of a FPSO turret mooring system under wave drift forces - ScienceDirect[J]. Applied Ocean Research, 2018, 74: 170-187. DOI:10.1016/j.apor.2018.02.013 [15] Siemens Digital Industries Software, STAR-CCM+ Documentation Version 16.03[M], Texas: 2020.