【论文推荐】| 旁靠双浮体系统二阶作用数值研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

旁靠外输系统作为海洋油气资源开发利用的关键装备，在实际作业中面临着复杂的水动力挑战。由于旁靠浮体间距通常仅为4~10 m，狭窄间隙内的流体极易发生强烈的共振运动，进而对浮体产生复杂的水动力相互作用。此外，双浮体系统往往还受到系泊系统的耦合作用，使得流体的二阶作用效应不可忽略。准确预报系统的受力和运动响应，对于保障旁靠外输系统的设计合理性与作业安全性具有至关重要的意义。针对旁靠双浮体小间距导致的复杂水动力相互作用问题，特别是二阶作用特性，本研究旨在开展系统性的数值分析。具体目标包括：深入探究浮体在固定和运动状态下间隙共振现象的差异及其对浮体二阶作用的影响机制；评估阻尼盖模型对异常间隙共振及其衍生影响的修正效果；最终为系泊旁靠外输系统的设计优化与安全评估提供坚实的理论依据。

二、研究方法

本研究构建了基于阻尼盖法修正的三维频域势流理论和近场法的数值分析框架。首先，针对传统势流理论忽略黏性效应的缺陷，在间隙自由面边界条件中引入人工阻尼项，通过在物体平均湿表面及间隙自由面处布置脉动源进行求解，从而有效抑制异常的间隙共振现象。其次，采用近场法求解差频和和频二阶传递函数（QTF），全面考量了相对波高贡献、速度平方项贡献、一阶压力梯度与一阶运动耦合贡献、一阶作用力转动效应贡献、静水恢复力贡献以及二阶速度势贡献等六大要素。为确保数值模型的准确性，研究选取了Kashiwagi等的Wigley船与方箱双浮体系统模型试验进行一阶和二阶定常力验证，并与ANSYS AQWA软件的全QTF矩阵求解结果进行了交叉比对。在工程应用层面，以某FPSO（长272 m、宽46 m、吃水10.5 m）和穿梭邮轮Tanker（长210.2 m、宽42.97 m、吃水14.03 m）组成的旁靠双浮体系统为研究对象，设定两浮体间隔为8 m，开展了详尽的数值模拟与特性分析。

三、研究结果

数值模拟揭示了旁靠双浮体系统在不同浪向下间隙共振频率基本保持一致，前几阶共振频率约为0.72、0.77、0.84、0.90、0.98 rad/s，且奇数阶对应波浪抬高极大值，偶数阶对应极小值。当考虑浮体运动后，由于辐射效应与绕射效应在第一阶共振模态处的相互抵消，原固定状态下的一阶间隙共振频率（ω≈0.72 rad/s）消失；但在原第三阶和第五阶共振频率之间（ω≈0.91 rad/s），由浮体运动的速度极点引发了一个新的间隙共振峰值。在二阶波浪力方面，浮体固定时二阶定常力在一阶共振频率处出现峰值；而浮体运动时，二阶作用主要受速度极点导致的新共振频率（ω≈0.91 rad/s）影响，且在系统固有频率（ω≈0.51 rad/s）附近同样出现峰值。差频全QTF矩阵表明，当双色波的频率成分接近间隙共振频率或系统固有频率时，QTF矩阵均会出现显著峰值。此外，添加阻尼盖能有效抑制间隙共振频率处异常的波浪抬高和浮体运动响应，且在270°横浪条件下，阻尼μ越大，对异常间隙共振及二阶作用计算的抑制效果越显著。

四、研究结论

基于阻尼盖法修正的三维频域势流理论对某FPSO和穿梭邮轮Tanker开展数值模拟研究，评估该旁靠系统的频域水动力特性，得到主要结论如下：

1）旁靠双浮体系统间隙会发生剧烈的水体共振现象，在考虑浮体运动时，原固定状态下的一阶间隙共振频率（ω≈ 0.72 rad/s）消失，同时在原第三阶共振频率（ω≈0.84 rad/s）和第五阶共振频率（ω≈0.98 rad/s）之间会出现一个新的间隙共振频率（ω≈0.91 rad/s）。

2）当组成双色波的两个频率成分其中一个接近一阶间隙共振频率或系统固有频率（ω≈0.51 rad/s），或者双色波的波数与固定状态下一阶间隙共振频率对应的波数接近时，间隙水体共振或者浮体共振会导致浮体QTF矩阵在对应频率出现峰值。

3）添加阻尼盖能有效抑制异常间隙共振对波浪抬高、浮体运动等一阶结果及浮体所受二阶作用力的影响，在系泊旁靠系统计算中应添加阻尼盖模型进行黏性修正。

相关图表

本文引用格式：商迪, 范菊, 朱仁传. 旁靠双浮体系统二阶作用数值研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 34-42.  (SHANG Di, FAN Ju, ZHU Renchuan. Second-order analysis of the side-by-side twin-body system[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 34-42.  (in Chinese)）

作者简介：   

商 迪（2001—），男，湖北人，硕士研究生，主要从事多浮体水动力学研究。E-mail： shang_di@sjtu.edu.cn

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