吊放式深海潛標布放和回收過程數值分析

鄭躍洲　齊曉亮　張仕華　薛乃耀

摘 要：深海潛標可用于長期連續地監測海洋環境，是海底觀測網的無線固定網的組成部分。通過AQWA軟件對采用吊放式的深海潛標進行時域模擬，考慮2000m水深的南海環境，以及波浪、海流的影響，模擬得到潛標布放和回收過程中設備和浮球的水平、垂向的位移和速度，以及纜繩張力等數據，為潛標的深海試驗提供依據。

關鍵詞：潛標系統;布放回收;AQWA

中圖分類號：P 754? ???????????????文獻標識碼：A

Numerical analysis of the Deployment and Recycling Process of Hanging Deep-sea Buoy

ZHENG Yuezhou QI Xiaoliang ZHANG Shihua XUE Naiyao

（ 1. College of Civil and Transportation Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640;

2. CIMC Offshore Co .Ltd ， Shenzhen 518000）

Abstract：The deep-sea buoy can be used for long-term continuous monitoring of the marine environment， and it is also a component of the wireless fixed network of the seafloor observatory. The time domain simulation of the suspended deep-sea buoy is carried out through AQWA software. Considering the South China Sea environment at a water depth of 2000 meters， as well as the influence of waves and currents， the simulation obtains the level and vertical of the equipment and floating ball during the deployment and recycling of the buoy. Data such as displacement and velocity， as well as cable tension， provide the basis for deep-sea experiments.

Key words： Buoy system; Deployment and recycling; AQWA

1前言

深海蘊藏著非常豐富的各類資源，不僅包括石油資源，還有陸上稀缺的金屬礦資源。海洋開發越來越受到各國重視，深海觀測設備作為海洋探測以及資源開發利用的重要裝備，已成為各國競相研制建造的目標。我國已在東海和南海分別建立海底觀測系統，以實現從海底向海面的全天候、實時和高分辨的立體綜合監測，為深入認識東海和南海海洋環境提供觀測試驗平臺^[1]。

潛標常用于監測海洋水文、氣象、海底地貌，具有較好的隱蔽性、穩定性，在軍事領域上發揮著很大作用^[2-3]。目前潛標也可作為海底觀測網的固定節點，與海底主基站、AUV移動節點通過水聲通信與無線組網技術，形成海底有纜觀察網的無線拓展系統。

深海觀測設備脫離母船的方式，分為：投放式;吊放式;拋棄式。吊放式是用母船上的A型架、吊臂等機械設備，將深海觀測設備吊到海水中，當深海觀測設備處于預定狀態后才與母船脫離，或者不脫離母船直到深海觀測設備完成任務回收。本文的潛標布放方式采用吊放式。

深海潛標的布放和回收一直是個難題，相關的研究不多。Chang ZY^[4]分析了浮標系統布放時在靜水和海流作用下的動力學特性;張洋^[5]使用Orcaflex軟件，進行了潛標系統在500m水深環境布放過程的時域仿真。

為了實現在2000m水深的南海惡劣環境下潛標布放和回收，對潛標系統作一定簡化，分別建立水下布放和回收的水動力分析模型，進行頻域和時域的計算，結合水動力計算結果，為海底觀測網的深海試驗提供數據支持和指導。

2深海試驗系統

2.1 潛標

深海試驗潛標，整套裝置高約100～130m。先進錨系潛標：干重約2～2.5t，濕重約1t;設備包括水聲通信機、CTD、單點海流計等傳感器儀器包、連接承力組件、纜繩、電氣承力纜、浮球和水泥塊等。浮球數量為32個，浮球直徑17英寸，球體凈浮力26kg，空氣中重量22.15kg;浮球在纜繩上的間距為2m;潛標布放時，標記最靠近絞車的浮球為浮球1，靠近儀器包的浮球為浮球32。

海試“向陽紅31號”為大型浮標作業船，總長89m，垂線間長86m、型寬18m、型深7.2m、吃水4.8m、排水量3982t，最高航速≥16kn;配備DP-2動力定位。

2.2 環境參數

深海試驗區位于神狐峽谷群的底部與珠江海谷的頭部，地勢較為平坦，由神狐峽谷群沖刷下來的沉積物在此堆積，形成較厚沉積物層。

進行深海試驗布放和回收時域仿真時，波譜采用P-M譜，有義波高Hs=1.5m，跨零周期Tz=8.0s，海面流速為1.0m/s;隨著深度增加，流速呈階梯狀減小，在靠近海底的500m水深范圍，流速近似為0。

3 潛標水下布放和回收過程時域仿真

數值模擬中甲板以下部分的船體表面網格分布情況為：總網格數8641，水面以下網格數3554，并在水線面劃分網格以消除不規則頻率影響。

如圖1所示：潛標由cable1～4、浮球1～32、儀器包、聲學釋放器和重塊組成。其中，浮球、儀器包、聲學釋放器和重塊特征尺度遠小于波長，故將其作為莫里森單元進行建模;由于潛標的浮球過多且直徑較小，為簡便起見作近似處理，32個浮球只保留1和32兩個，剩余浮球的質量和體積平均分布到cable2上。各構件的質量和浮力，如表1所列：

3.1 ?潛標布放

潛標布放前，應做好系流準備、儀器檢查準備、投放前準備。采取先標后錨方法，即按照系統結構圖先投放離海面最近的浮體，再按順序投放系留、儀器設備、浮球及釋放器等，最后投放錨。

投放起始點宜為順流方向，距離觀測站位投放點2倍至3倍系留長度位置;作業船應頂流開始作業，投放過程中船宜以1節的速度低速前進;可通過操作甲板單元對釋放器進行三點測距，確定實際投放位置;作業完成后，海試船應在投放點附近漂泊觀察是否水面有破斷繩纜、浮球等漂浮物，若無則清理作業現場準備返航，若有則根據應急預案處置。

潛標的布放和回收，是通過Hydrodynamic Response中的Cable Winch模塊實現：通過絞車可改變纜繩長度，其中與絞車相連的纜繩必須是線性的，絞車可在指定啟動時間后按給定速度啟動，當到達最終長度時停止;潛標布放和回收時，絞車的速度均為0.8m/s，但當絞車放長纜繩時，實際的速度會乘上系數1+ε/2，ε為應變。

AQWA可以生成一個模擬浮式結構在風、波和水流作用下的運動時間歷程，這些浮式結構是可以由關節或系泊索任意連接的;結構的位置和速度，是通過在時域中積分這些力引起的加速度來確定的。時域整體運動方程為：

MA=F_t

式中：M為組裝后的結構和附加質量矩陣;A為加速度矢量;F_t為總作用力的矢量。

吊點位于船后5m處。將絞車纜定義為cable1;浮球1與絞車纜相連，浮球1與浮球32之間的纜繩，定義為cable2;浮球32與儀器包相連，其纜繩定義為cable3;儀器包和聲學釋放器相連的纜繩，定義為cable4。

潛標在下放過程中，浮球1、浮球32、儀器包及水泥重塊的水平位置隨時間變化曲線，如圖2所示，其深度變化曲線如圖3所示。

數值模擬中假設吊點位于船尾后-5m處。由于流的作用，浮球、儀器包和水泥重塊水平方向的位置開始時偏離-5m位置，隨著深度增加流作用減弱，潛標水平方向位置在-5m附近振蕩。

設置的波浪沿安裝船的船尾方向傳播，來流方向與波向相同;試驗船和潛標系統受到波浪和海流的共同作用，水面附近有較大的流速，海底附近流速幾乎為零;隨著布放深度的加大，潛標在布放過程中，水平方向的位置先遠離吊點位置沿流及波浪傳播方向移動，隨著布放深度繼續增加又回到船舶吊點附近。

潛標1在下放過程中，浮球1、浮球32、儀器包及水泥重塊水平速度、垂向速度和纜繩張力，隨時間變化曲線如圖4～圖6所示。

潛標的浮球1位于最上面，完全入水布放時受到的波浪和海流的影響最大，可在圖4中看出浮球1 的水平速度變化最大;潛標在布放過程中，通過A架直接下放，與釋放器相連的纜繩張力較小，浮球與設備相連的纜繩具有較大的張力值。

3.2 潛標回收

潛標的回收步驟，主要包括：系統釋放;系統搜尋;打撈回收;數據下載;整理記錄等。回收前應做好以下準備工作：

1. 召集所有作業人員參加回收作業協調會， 明確作業方案、實施步驟、崗位責任、安全措施和注意事項;
2. 準備甲板單元和釋放器釋放碼;
3. 準備工作小艇，并進行工作狀態檢查;
4. 檢查吊車、絞盤等運行是否正常;
5. 準備打撈抓鉤等專用工具。

作業船抵達投放點附近，通過釋放器甲板單元與潛標系統上的釋放器的水下換能器，建立聲學通信，并發出釋放信號;作業船停車，防止潛標上浮過程中進入螺旋槳;回收過程中，用絞車與吊機配合，將待回收的儀器、錨系提升到甲板以上適當位置，剎住絞車;用纜繩或抓鉤固定住系留，防止系留下滑;正向啟動絞車，使張力落到固定纜繩上，然后卸下連接卸扣和儀器。

潛標回收的數值模擬，主要是模擬潛標在未出海面前的上浮過程。潛標回收過程中，浮球和儀器包的空間位置、速度和纜繩張力，如圖7～圖11所示：

在回收過程中，浮力大于重力，各浮球及設備初始階段作加速運動，直到向上的浮力與向下的重力及阻力值達到平衡時，在無海流作用的海域中可勻速上浮，此時上浮速度很快穩定在2.7m/s左右;潛標在上浮回收過程中，受流力作用，水平面上沿流的方向逐漸偏離安裝位置對應的坐標值，從2000m水深處上浮到海面大約需12分鐘;回收過程中，浮球32相連的纜繩受到張力最大。

4結論

深海試驗潛標在布放及回收過程中，海試船的吊點位置會隨時間波動，海流的流速和方向會隨水深而變化，波浪也會隨時間波動，所以試驗設備在布放過程中的位置、速度、纜繩張力，均會隨時間呈現出波動。

潛標在布放過程中，浮球與設備相連的纜繩具有較大的張力值;在回收過程中，相對于其它纜繩段，浮球與設備相連的纜繩同樣具有相對較大的張力值;在回收階段，潛標依靠浮球產生的凈浮力產生上浮，對應纜繩的最大張力值小于布放過程中纜繩的最大張力值，因此深海試驗時需要重視在潛標布放時浮球與纜繩的連接。

參考文獻

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[4] Chang Z Y，Tang Y G， Li H J， et al. Analysis for the Deployment of Single-point Mooring Buoy System Based on Multi-body Dynamics Method [J]，China Ocean Engineering， 2012，26（3）：495-506.

[5] 張洋， 朱克強， 秦道武，等. 海洋潛標系統布放動力學分析[J]. 船舶工程， 2014（2）：111-114.

基金項目：國家重點研發計劃（2018YFC1405800）;廣東省促進經濟發展專項資金（GDME-2018A002）

作者簡介：鄭躍洲（1995-），男，碩士研究生。研究方向為船舶與海洋工程水動力學。