基于CFD的中水架回收过程数值研究：水出口偏移与吊装过程中的多体耦合动力学

《Ocean Engineering》：CFD-based numerical investigation on Mid Water Arch recovery process: offsets of water exit and multi-body coupled dynamics during hoisting

　　

1. 采用CFD分析了MWA出水过程。2. 研究了波向角对MWA出水过程中偏移量的影响。3. 调查了海洋附着物对MWA出水过程中偏移量的影响。4. 展示了涌浪对起重机船吊装作业运动的影响。引言中水拱（Mid Water Arch, MWA）用于在水柱中段支撑和约束柔性立管及脐带缆系统（Koolhof and Chai, 2012），从而减小立管在悬挂点和触地点的曲率和张力（Colin and Bertrand, 2011; Mortensen and Skjerve, 2023）。鉴于MWA的运动响应对于确保立管完整性具有重要意义，研究人员通过实验和CFD数值模拟对其水动力学特性进行了广泛研究（Hill et al., 2014; Huang and Zhang, 2013; Koolhof and Chai, 2012; Ribeiro et al., 2015）。然而，由于出水过程中MWA偏移量过大存在与起重机船碰撞的风险，以及MWA与起重机船之间复杂的多体水动力学耦合效应，MWA的回收仍是海洋结构退役过程中的关键挑战。水下浮式结构的回收本身就存在显著的工程挑战（Huang et al., 2024; Zan et al., 2025），尤其是MWA这类复杂浮式结构。MWA的传统回收过程包括：(1) 使用ROV对MWA进行回收前检查；(2) 准备吊索并将起重机船定位在安全区域；(3) 切断MWA的系泊缆，MWA自由上升至海面，该过程定义为出水过程；(4) 起重机吊装运输/处置，该过程定义为起重机船吊装过程。该标准流程存在两个关键安全问题。首先，MWA的出水过程对环境条件敏感，波浪和洋流可能导致MWA显著偏离其垂直出水点，从而增加与起重机船碰撞的风险。其次，在吊装过程中，起重机船的运动响应和吊装能力可能接近其设计极限，需要进一步分析以确认在设计海况下操作可以安全进行。为解决浮体出水过程中复杂水动力学行为带来的挑战——这对作业安全至关重要——已有大量研究开展。Truscott等（2016）首次将浮体出水过程分为两种主要模式，包括以近乎笔直的轨迹为特征的垂直状态和以周期性横向运动为特征的振荡状态。此外，Xu等（2018）研究了浮体出水过程中的上升速度和水平漂移距离。后续研究将范围扩展至更复杂的流动特征。Sun等（2022）研究了浮体出水过程中的空腔演化和压力载荷。近年来，CFD已成为模拟复杂流固耦合的有力工具，因其能准确捕捉详细的流场特征，Huang等（2024）利用CFD评估了深海采矿车在不同海平面的出水特性，Zan等（2025）将这一方法扩展到不规则波条件，以确定浮体吊装作业的最佳环境窗口。此外，人们认识到在海底服役数十年后积累的海洋附着物会使MWA的出水过程更加复杂。如Schultz（2007）和Zinati等（2023）综合总结的那样，海洋附着物会显著改变水下结构的水动力学特性。Marty等（2021）和Schoefs等（2022）分别研究了海洋附着物对各类水下结构水动力学系数的影响。Farmakis等（2014）研究了海洋附着物对阻力系数的影响，确认当MWA上存在海洋附着物时阻力会大幅上升。值得注意的是，海洋附着物引起的这些水动力学响应变化不仅影响阻力和吊装力，还可能导致出水过程中出现意外的偏移量，并增加与起重机船碰撞的风险。因此，有必要研究海洋附着物对MWA出水过程中偏移量的影响。除了出水过程之外，准确模拟吊装物体与起重机船耦合系统的动态响应对于避免与周围结构发生空间干涉至关重要（Nam et al., 2017; Yin et al., 2024; Yu et al., 2024）。Ham等（2015）研究了规则波下起重机船与吊装物体耦合系统的动态响应。Liu等（2025）进一步对起重机船吊装作业进行了全维度非线性动力学分析。Yao（2025）提出了一种可变刚度模型，研究了海底TMS-ROV系统的耦合动力学。此外，Zhang等（2023）研究了用悬链线方程表示吊索的起重机船与吊装物体耦合系统的动态响应。对于多点协同吊装，Jin等（2025）利用拉格朗日方程建立了考虑横摇、纵摇和环境扰动的双摆动力学方程。起重机船与吊装物体之间的耦合效应也受到学者关注。Kajiwara和Omori（2024）揭示，当吊装物体的固有频率接近主导波频时，起重机船的运动会发生显著变化。Chen等（2025）指出，波浪频率对吊装物体的摆幅有显著影响。必须认识到，许多海洋退役项目是在以涌浪为主而非风浪为主的海域进行的，这带来了独特的水动力学挑战，需要特别考虑（Jiao et al., 2026; Ren et al., 2023; Wang, 2015）。Liu等（2024）强调了波浪类型（特别是风浪和涌浪）对浮体漂移和振荡行为的显著影响。Li等（2025）研究了在不同涌浪周期下运动响应、系泊缆力和可操作性的关系，发现当浮体的横摇共振周期落在涌浪周期范围内时，会产生横摇与艏摇之间的耦合效应。这些发现为MWA回收提供了关键的实际参考。在涌浪主导的海况下，起重机船可能表现出剧烈的动态响应，从而危及吊装作业安全。尽管已有大量关于水下浮升结构出水过程的研究，但据作者所知，MWA这一复杂结构的回收过程尚未得到系统研究，这对海洋结构退役具有重要意义。为应对MWA回收过程中的挑战，本文开展了基于CFD的数值模拟。具体而言，分析了不同海况和五种不同波向角下MWA的出水过程，进一步研究了海洋附着物对MWA偏移量的影响。此外，建立了集成MWA、起重机船、系泊系统和吊索的耦合系统，并在风浪和涌浪条件下对耦合系统的响应进行了CFD模拟，研究了波周期对耦合系统动态响应的影响。本工作的主要贡献如下。(1) 本工作展示了MWA出水过程及后续吊装过程的CFD模拟，量化了波向角对出水过程中MWA偏移量的影响。(2) 针对MWA不同海洋附着物厚度开展了系统性CFD模拟，研究了海洋附着物对出水过程中MWA偏移量的影响。(3) 基于CFD建立了集成MWA、起重机船、系泊系统和吊索的耦合系统，展示了涌浪对耦合系统动态响应的影响。本文其余部分组织如下：第2节介绍理论基础。第3节介绍MWA和起重机船数值模型的描述。第4节介绍结果与分析。第5节介绍结论与讨论。理论基础基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程，利用CFD软件Star-CCM+建立了数值波池以模拟三维两相流。引入VOF（流体体积）方法捕捉自由液面。质量守恒和动量守恒的控制方程如下：

?(αρ)/?t + ?·(ραui) = 0
?(αρui)/?t + ?(αρuiuj)/?xj = -?p/?xi + ?σij/?xj + ?(-αρui′uj′)/?xj + ρagi

其中α为体积分数，ρ为流体密度，ui为流体速度目标MWA和起重机船目标MWA是连接至特定FPSO的立管支撑结构。其工作水深为124.5米，MWA部署深度为64.5米（从其重心到海底测量）。图1展示了MWA的示意图，它由一个圆柱形浮筒和一个拱形支撑结构组成。顶部设有三个通道，分别用于一根立管和两根电缆通过。MWA的主要参数列于表1中。MWA出水过程分析为研究波向角对MWA出水过程中偏移量的影响，在不同海况和五种不同波向角下开展了全尺度数值模拟。应注意，在出水过程中MWA的六自由度运动响应完全释放。在随后的吊装过程中，MWA的纵荡、横荡和垂荡完全释放，而横摇、纵摇和艏摇则受到约束。我们对结论与讨论本工作基于CFD对MWA出水过程及后续吊装过程进行了数值模拟。分析了不同海况和五种不同波向角下MWA的出水过程，进一步研究了海洋附着物对出水过程中MWA偏移量的影响。此外，在追浪中典型横向吊装场景下，对集成MWA、起重机船、系泊系统的耦合系统进行CFD模拟作者贡献声明Dongxu Xie：撰写——初稿、方法论、形式分析、数据管理。Ying Li：撰写——审阅与编辑、方法论、形式分析、概念化。Wenbing Xu：方法论、概念化。Shugeng Yang：概念化。利益冲突声明作者声明不存在已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。Dongxu Xie | Ying Li | Wenbing Xu | Shugeng Yang