極端海況下不同錨系形式對漂浮式海上平臺的動力響應(yīng)影響研究

路 寬， 王花梅， 宋雨澤， 饒 翔

(國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

近年來，海上平臺除了應(yīng)用在傳統(tǒng)的海上油氣開采領(lǐng)域外，也在其他新興領(lǐng)域進行廣泛的應(yīng)用，如海洋能發(fā)電、海洋牧場、海上試驗、海洋軍事等等。唐友剛等[1]對浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(floating production storage and offloading, FPSO)與水下軟剛臂及錨纜多體進行了耦合水動力分析，丁勤衛(wèi)等[2-3]對海上漂浮式風(fēng)機的水動力進行了分析研究，凌宏杰等[4]針對近島礁浮式平臺運動響應(yīng)特性進行了研究，還有針對深水浮式海洋平臺[5]、多浮體海上平臺[6]、半潛式平臺[7]等新興應(yīng)用領(lǐng)域的海上平臺的水動力開展了深入的研究工作。與傳統(tǒng)海洋平臺相比，此類平臺多采用半潛式、立柱式或張力腿式，工程造價較低，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便。但同時，由于此類平臺為了滿足應(yīng)用需求，往往選擇布放在海況惡劣的海域，如海上試驗平臺需要典型或極端海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進行比測試驗，海洋能發(fā)電平臺也需要布放在海上風(fēng)能、波浪能或潮流能資源集中的海域，這就對海上平臺的設(shè)計提出了更高的要求。通常情況下，此類平臺在設(shè)計海況下的安全性是具有保障的，然而在實際運行中，由于臺風(fēng)等極端海況頻發(fā)，超設(shè)計海況的發(fā)生概率呈增加趨勢，一旦發(fā)生超設(shè)計海況，平臺隨時會發(fā)生損壞，對人員和財產(chǎn)的安全造成嚴重的威脅。

位于國家海洋試驗場的“國海試1”海上試驗平臺，為漂浮式海上試驗平臺，主要服務(wù)于海洋儀器設(shè)備規(guī)范化海上試驗與測試工作，為我國海洋儀器科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化提供公共試驗平臺。該平臺自2019年9月下水運行以來，已連續(xù)在位運行一年以上，服務(wù)了10余項科技部重點研發(fā)計劃課題驗收海試工作。在位運行期間，由于先后經(jīng)歷了2次極端海況，造成了輕微的走錨現(xiàn)象，為了避免出現(xiàn)更為嚴重的破壞，有必要對其錨泊系統(tǒng)進行維護與改造。

漂浮式海上平臺的抗風(fēng)浪能力很大程度上由錨泊系統(tǒng)決定[8-9]，特別是在極端海況下，錨泊系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，因此有必要針對不同錨系形式下平臺的動力響應(yīng)進行分析與比較。目前，對于海上平臺水動力特性研究的主要方法包括理論分析、數(shù)值模擬[10-11]、物理模型試驗[12-15]和現(xiàn)場觀測試驗。近年來，隨著超算中心與大型波浪水池的建立，數(shù)值模擬與物理模型方法成為研究此類問題最主要的手段。本文在應(yīng)用威海海域?qū)崪y與重現(xiàn)期推算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的研究方法，對不同錨系下該漂浮式海上試驗平臺在極端海況下的運動響應(yīng)進行了分析與比較，研究結(jié)果為錨泊系統(tǒng)的改造提供了依據(jù)。

1 威海海域情況與錨系方案

“國海試1”海上試驗平臺布放于山東省威海市褚島北部海域，該海域海底地形起伏較大，島北部近岸水下形成一條海溝，成東西向分布，最大水深約70 m，平臺如圖1所示。

圖1 “國海試1”海上試驗平臺Fig.1 National Sea Trial 1 platform

根據(jù)2019年海域?qū)崪y資料統(tǒng)計，全年平均風(fēng)速4.1 m/s，風(fēng)速大于8 m/s的頻率為8.3%。2013年和2015年，國家海洋技術(shù)中心通過多參數(shù)綜合浮標(biāo)搭載的波浪傳感器對海域進行了全年的波浪觀測，并采用ADCP對平臺布放點位進行了大小潮的觀測。根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，對海域不同重現(xiàn)期的風(fēng)、浪和流進行了推算，結(jié)果如表1所示。

表1 平臺所在海域風(fēng)浪流重現(xiàn)期推算結(jié)果Tab.1 Extreme sea area condition of the platform

當(dāng)前平臺的錨泊系統(tǒng)采用的是拉緊的V型鏈方式，錨鏈為長度為82.5 m，直徑32 mm的AM2龍須鏈，錨塊采用2 100 kg的AC-14大抓力錨。改進后的錨泊系統(tǒng)考慮采用倒S松弛式，即浮筒與趟地鏈相結(jié)合的方式，在V型鏈末端增加浮筒，同時連接錨塊的主鏈由55 m增加到165 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

利用ANSYS AQWA模塊，對平臺原型進行數(shù)值模擬計算，平臺的數(shù)值模型與建立的坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 海上試驗平臺數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of platform

平臺全局采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在棱角處與月池的部分用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行處理。計算時，風(fēng)浪流外荷載取值見表1，方向為威海海域極端波浪方向，即x方向。其他主要的環(huán)境參數(shù)與尺寸，如表2所示。

對兩種不同錨系形式分別進行了數(shù)值計算，原方案為拉緊的V型鏈方式，錨鏈參數(shù)如前所述。改進之后的方案，錨定點位置不變，將同一側(cè)的連接點至錨定點的系泊纜長度增加至137.5 m，形成“松弛式”的系泊形式。

表2 主要計算參數(shù)Tab.2 Main calculation parameters

考慮到波浪是主要外荷載，而波浪對于平臺的作用力中流體黏性的影響相對較小，對運動和載荷的計算可以忽略，因此采用三維勢流理論進行水動力計算，即假設(shè)流體式不可壓縮、無黏性和無旋的。同時對時間項采用頻域和時域兩種計算方法，并考慮輻射阻尼的作用，對平臺水動力系數(shù)和運動響應(yīng)繼續(xù)數(shù)值計算分析?？刂品匠倘缡?1)所示

(1)

式(1)為拉普拉斯方程，可應(yīng)用速度勢φ，來表達流場內(nèi)的流體速度分布

(2)

邊界條件應(yīng)滿足

(3)

(4)

在水中平臺所受到的波浪力和力矩為

F=-?S(p·n)dS=Fr+Fw+Fd+Fs

(5)

M=-?Sp·(r×n)dS=Mr+Mw+Md+Ms

(6)

式中：Fr，Mr為平臺強迫運動產(chǎn)生的輻射荷載；Fw，Mw為平臺固定時入射波產(chǎn)生的荷載；Fd，Md為平臺固定時產(chǎn)生的繞射荷載；Fs，Ms為靜水荷載；S為濕面積；p為壓力。

風(fēng)荷載主要作用在平臺的水面以上的部分，以水平分量為主，垂直分量可忽略不計，其大小為

(7)

式中：ρa為空氣密度；Uw為風(fēng)速；Ch，Cs分別為平臺體受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)和形狀系數(shù)，其中由于平臺在海面上高度低于15.3 m，故高度系數(shù)取1.0。形狀系數(shù)吃水線以上取1.0，船艙取1.5，An為受風(fēng)面積。

流荷載作用于平臺的水下部分，其大小為

(8)

式中：CD為拖曳系數(shù)，此處取1.0；ρs為海水密度；Ac為迎流面積；Uc為流速。

實際海況下，主要的環(huán)境荷載為波浪、潮流與風(fēng)的耦合作用為主要荷載，分析耦合荷載作用時需要從頻域和時域兩個方面考慮。在頻域分析中，以波浪頻率ω為研究變量，平臺在海上除了收到風(fēng)、浪、流影響之外，還包括了自身運動偏離平衡位置產(chǎn)生的靜水回復(fù)力，與運動時受到的波浪入射和繞射的作用力，其一階頻域方程為

(9)

式中：Xj為平臺在j方向的位移運動；M為質(zhì)量矩陣；Ma為附加質(zhì)量矩陣；C為輻射阻尼矩陣；K為回復(fù)力矩陣；F為一階波浪力矩陣。

在入射荷載僅考慮一階項時，問題即簡化為線性求解，在頻域分析求解十分方便，但本文考慮入射荷載不能忽略二階項，因此需要利用時域分析方法，將非線性項納入方程求解。根據(jù)傅里葉變換，式(9)轉(zhuǎn)換為時域運動方程

(10)

式中：K(t-τ)為延遲函數(shù)；F(t)為作用在平臺的波浪力，包括一階和二階波浪荷載。

2.2 計算結(jié)果

由于附加質(zhì)量與輻射阻尼對計算結(jié)果具有很大的影響，因此首先對平臺進行頻域計算，以獲得附加質(zhì)量與輻射阻尼系數(shù)。平臺的縱搖運動的附加質(zhì)量和輻射阻尼，如圖3所示。

圖3 縱搖附加質(zhì)量與輻射阻尼Fig.3 Added mass and radiation damping of pitching

采用時域模塊對兩種不同錨泊形式的百年、五十年、二十五年、二十年、十年、五年和兩年一遇重現(xiàn)期的風(fēng)浪流作用下，平臺姿態(tài)與錨鏈受力情況進行了計算。選擇最具代表性的百年一遇結(jié)果進行作圖比較與分析，兩種錨系形式下，平臺的縱搖、橫蕩與錨鏈拉力的計算結(jié)果，如圖4～圖6所示。

從圖4的計算結(jié)果可看出，張緊式錨系形式下平臺的縱搖運動明顯小于松弛式的錨系形式，前者最大與平均縱搖角分別為16°和3.5°，后者最大與平均縱搖角分別17.5°和6.1°，這說明，張緊式錨系形式在極端海況下穩(wěn)定性更好。

圖4 百年一遇重現(xiàn)期下兩種錨系形式縱搖對比Fig.4 Pitching comparison of two types of mooring system in a-hundred-year recurrence period

從圖5橫蕩運動的對比可以看出，兩種錨系形式均在初始位置附近做往復(fù)運動，張緊式的運動范圍大致為±10 m，松弛式運動范圍從-30～40 m?？梢姡跇O端海況下，拉緊的錨系形式漂浮的范圍更小，更有利于定點試驗。

圖5 百年一遇重現(xiàn)期下兩種錨系形式橫蕩對比Fig.5 Swelling comparison of two types of mooring system in a-hundred-year recurrence period

圖6為兩者錨鏈拉力的對比情況可以看出，張緊式比松弛式的拉力值整整高了一個量級，前者最大拉力達到了近5 000 kN，平均拉力為250 kN，后者最大拉力只有360 kN，平均拉力為180 kN，后者最大拉力為前者的7.2%，考慮到破斷荷載為583 kN，因此張緊式錨鏈具有較大斷裂風(fēng)險。

圖6 百年一遇重現(xiàn)期下兩種錨系形式拉力對比Fig.6 Force comparison of two types of mooring system in a-hundred-year recurrence period

可以看出，百年一遇風(fēng)浪流重現(xiàn)期下，雖然拉緊的錨系形式對于平臺的穩(wěn)定性較好，但拉力已超出錨泊系統(tǒng)的承受能力，隨時會出現(xiàn)走錨或者錨鏈斷裂的危險；而改進后的松弛式錨系形式，雖然穩(wěn)性不如前者，但抗極端海況的能力更強，安全性與生存性更高。

3 物理模型試驗

3.1 試驗系統(tǒng)及布局

為了驗證數(shù)值計算的準確性，開展了模型試驗，試驗在自然資源部國家海洋技術(shù)中心動力環(huán)境實驗室中進行，主要試驗設(shè)施及設(shè)備包括：

(1) 多功能水池——長130 m，寬18 m，池深6 m，試驗水深4.5 m；

(2) 造波機——10單元伺服電機驅(qū)動式推板造波機，最大波高0.6 m，周期范圍為0.5～5 s，由上位機軟件控制，可模擬產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波；

(3) 造風(fēng)系統(tǒng)——16單元軸流風(fēng)機組成，最大風(fēng)速10 m/s；

(4) 雙線性型BG-II/1000MM波高傳感器——量程0～1 m，精度0.2%；

(5) Testo熱敏風(fēng)速儀405i——量程0～30 m/s，精度±0.1 m/s+5%；

(6) AML_DDEN水下拉力傳感器——量程250 N，精度0.1%；

(7) 六自由度非接觸姿態(tài)測量系統(tǒng)——三光學(xué)鏡頭組成，量程6 m×6 m，搖擺角誤差為±1.5°，水平位移誤差為1.5 mm，垂蕩誤差為2 mm。

按照海洋行業(yè)標(biāo)準HY/T 0299—2020《海洋觀測儀器設(shè)備室內(nèi)動力環(huán)境模型試驗方法總則》規(guī)定搭建試驗環(huán)境并開始試驗。試驗系統(tǒng)包括：試驗環(huán)境模擬裝置、平臺模型與測量采集系統(tǒng)。其中，試驗環(huán)境模擬裝置包括造波機、造風(fēng)機與等效水流力模擬裝置。平臺模型包括平臺主體及其錨泊系統(tǒng)，錨泊系統(tǒng)可進行更換。測量采集系統(tǒng)包括：波高儀、風(fēng)速儀、六自由度姿態(tài)儀及拉力傳感器。各測量傳感器集成在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，保持數(shù)據(jù)的實時性與同步性。

平臺模型布放在距造波機40 m，距造風(fēng)機20 m處，波高儀與風(fēng)速儀布放在模型前5 m處，水下拉力傳感器安裝在錨泊系統(tǒng)與錨塊連接部位，六自由非接觸姿態(tài)測量系統(tǒng)布置在模型背浪一側(cè)的斜上方距離5 m附近，安裝由滑輪、拉力線與砝碼組成的水流力模擬裝置，拉力點與模型重心保持水平。試驗布局如圖7所示。試驗前需在模型上安裝標(biāo)志點，以滿足姿態(tài)測量需要。試驗儀器均在計量有效期內(nèi)，試驗前也均進行了標(biāo)定。

圖7 試驗布局Fig.7 Test layout

3.2 模型及相似準則

根據(jù)實驗室試驗?zāi)芰εc平臺原型尺寸，確定模型比尺為1∶30，模型主要參數(shù)如表3所示。設(shè)計時首先考慮滿足幾何相似，除幾何相似外，模型還滿足了慣性矩和自搖周期相似，并且滿足重力相似；其兩種錨系結(jié)構(gòu)的組成，除滿足長度等幾何相似外，還滿足了質(zhì)量和彈性相似。由于本次模型試驗，水的黏滯力不是主要作用力，因此試驗中并沒有考慮雷諾數(shù)的影響。

表3 模型主要參數(shù)Tab.3 Parameters of model

試驗前先進行了平臺模型重心與轉(zhuǎn)動慣量的調(diào)節(jié)，并進行了模型及錨泊系統(tǒng)的整體剛度驗證，模型，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

圖8 試驗?zāi)Ｐ虵ig.8 Test model

試驗中采用兩種錨系方案，如圖9所示，分別為張緊式、帶浮筒的倒S松弛式。張緊式錨泊系統(tǒng)由V型鏈-萬向節(jié)-主鏈-錨塊組成，松弛式由V型鏈-萬向節(jié)-浮筒-彈簧-主鏈-錨塊組成，錨塊質(zhì)量為50 kg，錨鏈質(zhì)量與尺寸與原型保持相似。

圖9 兩種錨泊系統(tǒng)方案Fig.9 Two types of mooring system

3.3 試驗工況

根據(jù)原型工作海況，按照縮尺比計算，得到試驗工況如表4所示，模型和原型的波浪均為深水波。兩種錨系方案，每組7個試驗工況，工況1～工況7分別對應(yīng)原型百年、五十年、二十五年、二十年、十年、五年和兩年一遇重現(xiàn)期。試驗中，首先進行風(fēng)場模擬，待風(fēng)場穩(wěn)定后，加載砝碼模擬水流作用力，穩(wěn)定后，進行不規(guī)則波的模擬。不規(guī)則波采用與實測譜對比后的JONSWAP譜，每組工況重復(fù)3次，試驗時間不小于對應(yīng)實船3 h。

表4 模型試驗工況Tab.4 Test conditions of model

3.4 試驗過程與結(jié)果分析

采用最具代表性的百年一遇試驗結(jié)果，對兩種錨系下模型的響應(yīng)進行對比分析。風(fēng)速與波浪曲線如圖10所示。

圖10 試驗動力環(huán)境Fig.10 Dynamic condition of test

由圖10可以看出，試驗開始后先進行造風(fēng)，在試驗進行到50 s左右，風(fēng)場逐漸穩(wěn)定，再加載砝碼模擬水流作用力。在風(fēng)的作用下，水面產(chǎn)生了波高約為0.04 m的小周期波浪。當(dāng)模型在風(fēng)和流的作用下姿態(tài)穩(wěn)定后，即約150 s時，開始造浪，產(chǎn)生有效波高為0.21 m，有效周期為2.32 s的不規(guī)則波，上述步驟即形成風(fēng)浪流耦合的極端海況。每個工況持續(xù)時間共600 s，文中統(tǒng)一取前400 s進行作圖。

模型在上述風(fēng)浪流作用下，兩種錨系形式的平臺橫蕩與縱搖、錨鏈拉力的對比曲線，分別如圖11和圖12所示。

首先分析模型的主體結(jié)構(gòu)，由圖11可以看出，模型在風(fēng)的作用下開始進行橫蕩運動，在150 s附近姿態(tài)達到穩(wěn)定，波浪傳播到模型位置后，模型在平衡位置附近做往復(fù)運動。松弛式的平均橫蕩為3 m，張緊式平均橫蕩為1.5 m，相比而言，張緊式的漂浮范圍更小，更有利于定點觀測與海上試驗。從縱搖搖試驗結(jié)果來看，同樣是在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，模型做往復(fù)搖擺運動，張緊式的最大橫搖角為12.5°，松弛式最大橫搖角為16.7°，可見張緊式的模型主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，更有利于海洋儀器設(shè)備數(shù)據(jù)獲取的準確性。

再分析模型的錨泊系統(tǒng)，由圖12可以看出，張緊式錨鏈拉力顯著大于松弛式，前者最大瞬時拉力達到191 N，是后者最大拉力的13倍以上。同時可以觀察到，張緊式錨泊系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時拉力的時間與出現(xiàn)大波的時間基本一致，即在風(fēng)的作用下模型的錨泊系統(tǒng)處于拉緊狀態(tài)，當(dāng)有波浪作用在模型的時候，錨鏈就會出現(xiàn)瞬時的作用力，作用力一旦超出錨泊系統(tǒng)的承受范圍，就會出現(xiàn)走錨甚至錨鏈斷裂情況。

對全部試驗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，并反演到原型的數(shù)據(jù)如表5所示。由此可以得出結(jié)論：

(1) 松弛式錨泊系統(tǒng)由于其錨鏈所受拉力較小，因此其抵抗極端環(huán)境的能力更強，維護周期更長，維護成本更低。但其平臺在風(fēng)浪作用下運動范圍較大，因此觀測與試驗數(shù)據(jù)的準確度會受到一定的影響，數(shù)據(jù)應(yīng)采用相關(guān)算法進行修正后方可應(yīng)用。

(2) 張緊式錨泊系統(tǒng)的定點觀測效果最好，巡航半徑較小，同時，由于其在風(fēng)浪作用下?lián)u擺角更小，其試驗獲取的數(shù)據(jù)更為準確，但是其對錨泊系統(tǒng)要求較大，錨鏈所受瞬時拉力非常大，會出現(xiàn)走錨現(xiàn)象，特別是遇到極端海況，可能會遇到嚴重的損壞，為了避免事件的發(fā)生，應(yīng)對錨泊系統(tǒng)定期進行巡檢和維護，必要時采取應(yīng)急避險措施。

表5 原型數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of test data

3.5 數(shù)值模擬與模型試驗的結(jié)果對比分析

通過數(shù)值模擬與物理模型試驗的結(jié)果對比來看，結(jié)論是一致的，即在張緊式與松弛式兩種錨系方案中，采用拉緊的錨泊系統(tǒng)，平臺的搖蕩更小，可獲取到更為準確的觀測數(shù)據(jù)，但是錨鏈所受拉力最大；松弛式的錨泊系統(tǒng)錨鏈所受拉力小，可靠性高，但是搖蕩較大；如果定量來看，通過對比分析，兩者數(shù)值存在大約10%左右的偏差，造成偏差的原因有以下兩個方面：

(1) 試驗環(huán)境產(chǎn)生的誤差。風(fēng)場質(zhì)量和反射波的影響都會對試驗結(jié)果造成影響；

(2) 試驗過程中出現(xiàn)的不確定性因素。試驗中，波高儀、風(fēng)速儀、姿態(tài)儀、拉力計，都存在著系統(tǒng)誤差，會對結(jié)果造成影響。

因此，通過模型試驗驗證后的數(shù)值模型可以應(yīng)用在今后平臺的水動力計算與分析工作中，對平臺試驗的開展、試驗裝置與平臺的耦合計算、極端海況下平臺運動預(yù)報具有重要的應(yīng)用意義。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬與物理模型試驗研究的方法，針對兩種不同錨系方案，采用威海海域?qū)崪y數(shù)據(jù)，對漂浮式海上試驗平臺在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的水動力性能進行了研究與分析，通過試驗不僅定性的分析了不同方案的優(yōu)缺點，而且得到了相對準確的定量分析結(jié)果，為今后類似的研究提供方法參考。最終得到如下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬與物理模型試驗作為平臺水動力性能的主要研究手段，可以很好的預(yù)測其在復(fù)雜海況下的運動響應(yīng)，而且兩種方法可以相互驗證，具有很好的應(yīng)用前景。

(2) 威海國家海洋試驗場作為國家海洋儀器裝備公共試驗與測試平臺，需要長時間在位運行，安全性應(yīng)該是首先需要考慮的因素?，F(xiàn)有的張緊式的錨泊形式由于錨鏈受力較大，已超出其承受范圍，因此存在一定的安全隱患。改進后的方案，即松弛式的錨系形式具有很強的抗風(fēng)浪能力，在極端海況下具有較強的生存能力，更加適合平臺長期在位運行。