研究圆柱形FPSO在波浪-水流耦合作用下的运动响应放大机制

《Ocean Engineering》：Investigating the mechanisms of motion response amplification for a cylindrical FPSO under wave-current coupling

　　

李敏|李大|傅胜雷|庄源|万德成

上海交通大学海洋与土木工程学院计算海洋流体动力学实验室，中国上海200240

摘要

圆柱形浮式生产储存卸载（CFPSO）单元在深海油气开发中展现出广阔的前景，这得益于其成本效益和适应性，其运行安全性在很大程度上依赖于运动和载荷性能。现有研究主要集中在仅受波浪影响的条件下以及完全耦合的环境中，而对典型波浪-水流耦合条件下载荷放大机制的系统分析仍显不足。为了解决这一问题，本研究模拟了CFPSO在仅受波浪影响和波浪-水流耦合条件下的运动响应。结果表明，水流的稳定阻力改变了结构的平衡位置，并选择性地放大了运动和载荷动态。电流速度与波速的比值（Uc/C）是量化这种放大效应的关键参数。由于流场的变化，不同运动方向的放大机制也有所不同。纵荡的动态放大与底部附近复杂涡脱落引起的强烈随机压力波动直接相关。本研究为CFPSO在复杂海况下的结构设计和安全评估提供了理论基础。

引言

浮式生产储存卸载（FPSO）单元是深海油气开发的关键基础设施，因为它们的运行稳定性显著影响油田作业的安全性和效率（Zhuang等人，2022年）。在各种FPSO配置中，圆柱形FPSO（CFPSO）是一种新型的浮式平台（Afriana，2011年；Amin等人，2022年）。它具有结构简单、内部空间利用率高以及无需复杂塔架系泊系统即可调节环境载荷的优势，从而降低了建造成本并展示了强大的工程潜力。然而，CFPSO面临流体动力学挑战，特别是因为其固有的纵荡周期通常与常见波周期一致，导致明显的纵荡运动响应，影响平台性能（Hong等人，2011年；Ji等人，2019年）。

在FPSO的整个生命周期中，波浪和水流是主要的环境载荷。在实际海况中，它们经常相互作用，形成复杂的波浪-水流耦合场（Dutta和Afzal，2024年）。这种耦合效应不仅仅是波浪和水流力的简单叠加，而是涉及改变波浪传播特性和流场结构的非线性相互作用。例如，它可能导致波高和波长的变化，增强流动分离，并显著影响平台上的总载荷。Li等人（2024年）的实验研究表明，波浪-水流耦合会引起低频相位移动和能量重新分布，使纵荡运动增加约30%。Deng等人（2022a，2022b）观察到波浪-水流耦合显著放大了纵荡和横摇运动，这种现象是由底部涡脱落引起的准锁定效应。这些非线性效应可能超出传统设计方法的预测，对平台的安全性和结构完整性构成严重威胁。因此，研究波浪-水流耦合对CFPSO运动和载荷的放大机制对于提高此类平台的设计可靠性和运行安全性至关重要。

在海洋工程领域，关于其他结构在仅受波浪影响和波浪-水流耦合条件下的动态响应已经取得了重要进展。例如，P Wang等人（2024年）和W Wang等人（2024年）使用CFD模拟比较了沙漏形和圆柱形浮体的撞击特性。他们发现波周期的变化加剧了撞击的严重程度，压力峰值增加了约25%，突显了波浪参数对非线性响应的调节作用。同样，Kong等人（2025年）将IDDES方法应用于浮式涡轮机，证明将波周期从0.8秒增加到1.2秒会使功率系数波动增加约25%，强调了参数的敏感性。在波浪-水流耦合下，其他结构的响应变得更加复杂。Ni等人（2025年）通过CFD推导出波浪-水流相互作用的稳态解，揭示了波浪-水流角度、波浪陡度和相对水深对波长和波高的显著影响。当波浪陡度超过0.05时，非线性效应加剧，导致波浪放大和线性理论预测的误差。Zhou等人（2022年）系统分析了水平圆柱体在不同波周期和水流速度下的纵荡响应。他们观察到，增加波周期可以减少振动幅度，而水流变化可能引起共振，显著放大运动响应。Li等人（2023年）研究了浮式海上风力涡轮机（FOWT）平台，发现将波浪-水流角度从0°增加到90°会增加横向运动并增强涡诱导运动（VIM）。波浪参数和水流速度之间的相互作用可能使相互作用因子超过1.35。同样，W Li等人（2025年）和S Li等人（2025年）通过数值模拟研究了波浪-水流耦合下的FOWT，发现波浪会通过将主导力频率转移到波频率来抑制VIM，而水流会放大波浪动态并增加波浪载荷。

针对FPSO，关于其在仅受波浪影响条件下的动态特性的研究揭示了特定的风险。Yang等人（2025年）开发了一个带有阻尼板的FPSO的半解析模型，表明几何参数和耗散系数显著影响纵荡运动和波浪载荷。增加阻尼板半径可以放大波浪载荷但抑制共振，而耗散系数可以减轻共振频率处的非线性突变，提高计算稳定性。Cui等人（2025年）使用3D势流模拟研究了带有环形槽的圆柱形FPSO，表明槽的几何形状可以调节纵荡和俯仰性能。特定的参数组合可能引发参数共振，使俯仰运动放大高达120.98%。他们的工作强调了时变恢复刚度在捕捉非线性耦合中的重要性，并指出了当波周期接近系统自然周期时的共振风险。已经进行了研究来调查圆柱形FPSO在波浪-水流耦合条件下的撞击压力和动态响应。Yu等人（2025年）发现，增加水流速度会缩短有效波周期，增强波浪上升和动态压力，导致耦合响应显著超出线性叠加。实验研究，如Deng等人（2022a，2022b）观察到，在波浪-水流条件下所有六个自由度上的运动都有显著放大，尤其是在横流运动中由于VIM的影响。Li等人（2024年）进行了波浪水池试验，发现波浪-水流耦合会引起低频相位移动和能量重新分布，使纵荡运动增加约30%。此外，Huo等人（2023年）通过CFD验证了波浪-水流耦合可以抑制或增强VIM，涡流可视化阐明了能量耗散机制。

尽管取得了这些进展，当前研究仍有显著局限性。大多数研究在参数分析中通常固定波谱或水流速度，未能系统地变化波周期和水流速度作为独立变量来量化它们的相互作用，并且缺乏全面的参数空间扫描。对机制的理解不足，因为非线性动力学和参数耦合效应没有得到深入探索。因此，对于CFPSO来说，迫切需要使用参数化CFD模拟和实验来系统研究不同波周期和水流速度对波浪-水流耦合放大效应的定量影响。此外，揭示潜在机制，特别是从流场演变的角度解释运动和载荷放大的物理根源，仍然不充分。

本研究采用CFD方法来研究波浪-水流耦合对FPSO运动和载荷的放大效应。基于开源框架OpenFOAM，它集成了一个修正了浮力的k-omega SST湍流模型和一个自开发的六自由度运动模块，以数值模拟结构的运动和载荷。该研究分析并展示了FPSO的运动和载荷响应，量化了放大效应，并通过详细的流场分析阐明了产生机制。这项工作为复杂耦合海况下FPSO的流体动力学特性提供了理论支持和数据参考，为结构设计提供了关键见解。

章节片段

数值方法

开发了一个高保真数值模型，用于模拟圆柱形FPSO在复杂波浪-水流相互作用下的流体动力学响应。模拟使用了不可压缩两相流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU（Zhao等人，2020年；Wang和Wan，2018年；Wang等人，2019年），该求解器基于开源CFD平台OpenFOAM构建。六自由度（6-DOF）运动响应是使用自主研发的刚体运动求解器计算的。

几何形状和计算域

本研究中使用的几何模型是基于1:60比例比的圆柱形FPSO单元。数值模型的几何形状如图1所示。模型的主要尺寸和质量属性在表1中总结。圆柱形船体的直径为1.45米，模型比例下的吃水深度为0.367米，因此深度与吃水深度的比约为2.04。相应的满载排水量约为145.5千吨。模型的主体是圆柱形的，其底部

不同波周期下的波浪-水流耦合效应

FPSO的运动响应对其结构安全性、运行效率和定位系统设计至关重要。在本研究中，分析了波浪-水流耦合对其平均位置和动态振荡响应的影响。通过计算相对变化（以百分比表示）来定量评估这种变化

结论

本研究使用开源CFD软件OpenFOAM系统模拟了圆柱形FPSO在各种波周期和水流速度下的运动和载荷响应。通过比较耦合波浪-水流条件和仅受波浪影响的条件，量化了放大效应。此外，从流场演变的角度揭示了这些效应的模式和潜在物理机制。主要结论如下。

(1)

运动和载荷

CRediT作者贡献声明

李敏：撰写——原始草稿、方法论、数据整理。李大：调查、形式分析、概念化。傅胜雷：可视化、调查、概念化。庄源：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。万德成：监督、资源、方法论。

作者声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2025YFF0519800）和国家自然科学基金（项目编号：52131102）的支持，作者对此表示衷心感谢。