波浪作用下二维船体截面的漂移力与耦合运动效应实验研究

本研究针对海洋工程中FPSO等浮式结构物系泊失效问题，通过2D水槽实验系统研究了船型截面在横浪规则波中的水动力特性。研究采用固定/自由浮体三种工况，揭示了sway-heave-roll耦合运动对平均波漂移力(mean wave-drift force)的影响机制，发现约束sway自由度会通过增强波浪反射和放大roll共振显著增加漂移力。实验数据为验证CFM(Conservation of Fluid Momentum)和DPI(Direct Pressure Integration)等数值方法提供了新基准。

　　

在北海油田作业的浮式生产储卸油装置(FPSO)频繁遭遇系泊失效事故，2000-2014年间年均发生3起以上。调查发现，系泊缆承受的慢漂运动(slow drift motions)载荷远超预期是主因之一。传统基于势流理论( potential-flow theory)的二阶波浪力预测方法存在低估现象，特别是对于半潜式平台等细长体结构。这个问题的核心在于波浪与浮体耦合运动中产生的平均波漂移力(mean wave-drift force)机制尚未完全阐明。

日本学者Nojiri和Murayama在1975年开展的二维水槽实验是该领域的经典研究，但其日文文献缺乏关键实验细节，且未系统研究运动自由度约束的影响。为此，挪威科技大学团队在《Ocean Engineering》发表最新研究，通过精密设计的2D水槽实验，首次完整揭示了sway(横荡)、heave(垂荡)、roll(横摇)耦合运动对漂移力的调控机制。

研究采用13.63×0.6×1m的水槽和0.4m宽Lewis型船体截面模型，通过六自由度力传感器、视觉标记追踪和应变测量系统，系统测量了固定模型(A)、三自由度自由运动模型(B)和约束单自由度模型(C)三种工况下的水动力响应。关键技术包括：1)基于ArUco标记的亚毫米级运动捕捉系统；2)多探头波浪反射/透射系数(CR/CT)测量；3)流体动量守恒(CFM)与直接力测量(DPI)的交叉验证；4)考虑有限水深效应的二阶波浪理论分析。

固定模型的水动力特性

固定工况测量显示，一阶波浪力与线性势流理论预测吻合良好，但高阶谐波分量在ωB>1.5时显著增强。平均漂移力在低频率(ωB<0.6)时受有限水深效应影响明显，CFM方法通过透射系数估算的结果比反射系数更可靠。特别发现当波陡H/λ>0.05时，非线性效应导致传统Goda波高分析法低估反射率达15%。

自由浮体的耦合运动

三自由度模型在roll自然频率(ωB≈0.5)附近出现显著运动放大，sway与roll的相位耦合导致漂移力峰值比固定状态高22%。通过加速度计与视觉测量的交叉验证，首次量化了sway运动对roll共振的增强效应——约束sway会使roll RAO(Response Amplitude Operator)降低37%，但使平均漂移力增加41%。

自由度约束的调控效应

约束sway会通过两种途径增加漂移力：直接增强波浪反射(CR增加28%)和间接放大roll运动(振幅增加25%)。约束heave在共振频率附近使漂移力降低至自由状态的60%，效果强于约束roll。最有价值的发现是：在ωB=0.55附近，同时约束heave和roll可使漂移力降至理论预测值的45%，这为新型系泊系统设计提供了关键依据。

这项研究通过创新的实验设计，首次系统揭示了多自由度耦合对二维船体波浪载荷的影响机制。其价值主要体现在三方面：1)建立了首个包含完整运动约束工况的实验数据库，弥补了Nojiri和Murayama研究的空白；2)验证了CFM方法在耦合运动条件下的适用边界，为数值模型开发提供了验证基准；3)发现sway-roll耦合是影响漂移力的关键因素，为FPSO动力定位系统优化提供了新思路。研究团队公开了所有原始数据，包括200Hz采样的六维力传感器记录和经折射校正的视觉运动数据，这对推动海洋工程水动力学的开源研究具有重要意义。