小型海洋資料浮標穩定性對浮標作業的影響研究

丁圓強， 張小磊， 齊 亮， 姜 濤， 姚抒均， 鄭 凱

（齊魯工業大學（山東省科學院）山東省科學院海洋儀器儀表研究所山東省海洋環境監測技術重點實驗室國家海洋監測設備工程技術研究中心， 山東 青島 266001）

引言

海洋資料浮標是海洋水文氣象資料監測的重要手段之一，而小型海洋資料浮標（3 m直徑圓盤型）造價低、觀測能力強、回收布放難度較低，為我國的重要海洋觀測手段之一[1]。

浮標穩定性為浮標生存能力的重要指標，而3 m小型海洋資料浮標因直徑小穩性最差，作業難度較高，作業人員只可進行較短時間的作業，安全性較差例如圖1-1所示海況較好在位正常運行的3 m小型海洋資料浮標，在0～0.5 m的有效波高下，其橫搖傾斜角度較小，適于進行海上維修作業。如圖1-2所示的海況相對惡劣在位正常運行的3 m小型海洋資料浮標，在有效波高大于0.8 m的情況下，其橫搖角度較大，不適于進行海上維修作業。

圖1 不同海況條件下3 m浮標搖擺狀態實物圖

浮標的穩定性取決于其重心位置的設計、壓載的大小以及慣性矩的設計值。本文以穩性較差的3 m小型海洋資料浮標為例，通過數值模擬的手段對不同海況（波高、周期為主要參數）下不同重心位置、不同慣性矩的浮標多自由度運動情況進行計算分析，利用計算結果優化原有浮標的設計參數，為海洋資料浮標的海上維護作業提供保障。

1 數值模擬試驗驗證

本文采用的數值模擬計算方法基于不可壓縮流體的勢流理論，且計算時浮體直徑與入射波波高相比尺度較小，通過水工物理模型試驗驗證數值計算方法的可行性，進而進行后續優化計算[3]。

在拖曳水池中放入3 m浮標的水工物理模型，如圖2所示，在綜合考慮水深、波高、試驗范圍等條件后，本次試驗縮尺比采用，λ=1∶4。

圖2 3 m浮標水工物理模型試驗

浮標的運動幅值響應算子RAO（ResponseAmplitude Operator）部分的試驗環境條件是波高一定，波長0.5～6 m的規則波，在試驗中測量的浮標的橫搖角物理量。從而計算確定浮標的運動幅值響應算子。

試驗時，在浮標上安裝陀螺儀器并固定在適當位置。浮標兩端在重心高度位置系上兩根細繩，對浮標大尺度運動進行約束，但不會影響其自由運動的狀態。待模型按規定的要求布置、且各測量儀器安裝到位后，啟動造波機產生所需的波浪，待波浪穩定后，正式開始進行各項數據的采集。

同時建立與水工物理模型試驗比尺1∶1的數值模型，如下頁圖3所示，在相同實驗環境條件下計算，通過頻域響應函數計算浮標橫搖響應曲線，將水工物理模型試驗采集的數據與數值模型的計算結果進行比較。浮標的搖擺響應曲線擬合效果較好，在該數值模型的各項參數計算條件得到的數值符合浮標實際情況。

圖3 水工物理模型浮標的三維數值模型及計算結果

2 數值計算模型及計算結果

在ANSYS-AQWA中建立3 m浮標和10 m浮標1∶1的數值計算模型，如圖4所示，計算單點懸垂錨鏈系泊作用下浮標在不同波高周期作用下的運動響應情況[2]，通過分析不同重心位置、不同慣性矩的參數下3 m小型浮標的橫搖角度，優化確定浮標海上維修作業的最適合重心和慣性矩[3]。

圖4 3 m直徑海洋資料浮標三維數值模型

計算結果如圖5所示，圖5-1，5-2為原重心，原慣性矩的在P1、P2、P3、P4工況下的計算結果，取運動較為穩定的一個周期內40個點次的橫搖位移響應進行比較。可以看出周期越小其搖擺幅度越大，波高越大其搖擺幅度也越大，如表1所示。

在設計安全范圍內將浮標重心下移，浮標慣性矩縮小后進行重新計算得到圖5-3，5-4，同樣取運動較為穩定的一個周期內40個點次的橫搖位移響應進行比較，運動規律相同。

取浮標運動較為劇烈的P3工況（0.75 m波高、4 s周期），縱向比較浮標重心及慣性矩參數調整前后的浮標橫搖運動情況，可以得知降低了重心，減小了浮標慣性矩在P3工況下整體搖擺角度減小了近1°，如圖6所示。

繼續降低浮標的重心并且減小浮標的慣性矩，根據計算結果可知，重心降低的同時減少了浮標運動的固有周期，導致在小周期的情況下，波周期的頻率極易達到浮標的共振頻率，使浮標運動情況加劇，且浮標安全性降低。因此在一個合理范圍內調整浮標重心以及慣性矩可有效減少浮標的橫搖運動角度，增強浮標的穩定性。

3 結語

圖5 浮標單個周期內浮標橫搖角度時域曲線

表1 浮標正常工作海況計算表

圖6 P3工況下不同重心、慣性矩的浮標橫搖角度時域曲線

本文通過數值模擬的手段直觀計算了現有已達到產品化標準的3 m浮標在小波高，小周期下的橫搖運動響應情況，結合實際海上維修情況，驗證了在當前物理參數特性下浮標在0.5 m波高以上存在維修難度高的情況，進而通過調整浮標重心及慣性矩參數使浮標在0.75 m波高以下的橫搖角度減少，并降低了3 m海洋資料浮標的海上維修難度，因此本文的計算結果可為后續布放在易損壞區域的浮標基礎設計提供了參考思路。

參考文獻

[1]王波，李民，劉世萱，等.海洋資料浮標觀測技術應用現狀及發展趨勢[J].儀器儀表學報，2014，35（1）：2 401-2 414.

[2]趙環宇.1 kW級小型波浪能供電裝置關鍵技術研究[D].青島：中國海洋大學，2015.

[3]范海文.基于導管架平臺的波能發電裝置設計與優化[D].青島：中國海洋大學，2014.