深水養(yǎng)殖平臺(tái)的水動(dòng)力特性及錨泊安全

張甫杰, 朱云龍，王 丹，郭宇龍

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

當(dāng)前，離岸深水養(yǎng)殖系統(tǒng)正朝著智能化、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守的方向發(fā)展，已在沿海地區(qū)得到規(guī)模化應(yīng)用。離岸深水養(yǎng)殖平臺(tái)由柔軟的網(wǎng)衣、剛性的箱體和多組桁架組成，屬于柔性體與剛性體的組合體。網(wǎng)衣屬于柔性結(jié)構(gòu)物，在外部載荷的作用下會(huì)發(fā)生變形。養(yǎng)殖平臺(tái)的水動(dòng)力特性和錨泊系統(tǒng)的安全性是整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心。平臺(tái)的抗風(fēng)浪特性主要是指利用平臺(tái)自身浮箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和系泊結(jié)構(gòu)抵抗臺(tái)風(fēng)、大浪等惡劣環(huán)境的性能。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)養(yǎng)殖平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究在海洋工程裝備領(lǐng)域發(fā)展較快，已取得很多研究成果。

對(duì)于深水養(yǎng)殖平臺(tái)這種剛?cè)峤M合體的水動(dòng)力特性，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有成熟的商業(yè)軟件能用來(lái)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分析，水池試驗(yàn)仍是必不可少的手段。在對(duì)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí),必須對(duì)網(wǎng)衣作特殊考慮，其承受的水動(dòng)力對(duì)系泊系統(tǒng)的安全性有明顯的影響,國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。桂福坤等[1]和李玉成等[2]針對(duì)網(wǎng)箱模型試驗(yàn)中的網(wǎng)衣相似性提出了新的模擬方法;SLAATTELID等[3]針對(duì)一種重力式網(wǎng)箱,對(duì)不同海況下錨繩的受力特性和浮架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;FREDRIKSSON等[4]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)重力式和蝶形網(wǎng)箱在波浪和水流作用下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究;COLBOURNE等[5]采用物模試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法認(rèn)為水流對(duì)網(wǎng)衣受力起主導(dǎo)作用。

目前，對(duì)由箱體與桁架組成的剛性體的水動(dòng)力性能,以及柔性網(wǎng)衣在純流和純波浪作用下的作用機(jī)理的研究已較為成熟，對(duì)由柔性體與剛性體組成的組合體的研究相對(duì)較少。本文主要針對(duì)養(yǎng)殖平臺(tái)的風(fēng)流系數(shù)及其在規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、在錨泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得平臺(tái)的風(fēng)流系數(shù)及其在規(guī)則波下的橫搖、縱搖和垂蕩頻率響應(yīng)曲線(xiàn),平臺(tái)運(yùn)動(dòng)固有周期,系泊系統(tǒng)的系泊剛度,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊纜受力的統(tǒng)計(jì)特征值等，為平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和作業(yè)安全評(píng)估提供參考。

1 養(yǎng)殖平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)

1.1 養(yǎng)殖平臺(tái)主尺度

養(yǎng)殖平臺(tái)主要由箱體、桁架和柔性網(wǎng)衣組成，其主尺度見(jiàn)表1。綜合考慮水池的主尺度和試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的量程及精度，取模型的縮尺比為1∶30。圖1為養(yǎng)殖平臺(tái)的物理模型和數(shù)值模型。

表1 養(yǎng)殖平臺(tái)的主尺度

a) 物理模型

b) 數(shù)值模型

1.2 錨泊系統(tǒng)布置

錨泊系統(tǒng)采用四點(diǎn)錨泊布置方式，系泊鏈由2段直徑不同的錨鏈組成，水平距離為175 m，懸鏈線(xiàn)總長(zhǎng)為202 m，躺地長(zhǎng)度為170 m，上端飛濺區(qū)錨鏈長(zhǎng)為8 m，上部錨鏈配3個(gè)5 t重的沉塊,下端錨鏈長(zhǎng)為194 m。圖2為錨泊系統(tǒng)平面布置圖。

圖2 錨泊系統(tǒng)平面布置圖

1.3 環(huán)境參數(shù)

1) 作業(yè)水深：30 m。

2) 極限風(fēng)速：51.5 m/s。

3) 流速：1 m/s。

4) 生存海況：Jonswap波譜(譜峰提升因子γ=3.3);有義波高Hs=5.0 m;譜峰周期Tp=10 s。

2 模型試驗(yàn)設(shè)施

模型試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司的風(fēng)浪流水池內(nèi)進(jìn)行，該水池長(zhǎng)90 m，寬15 m,水深為0.2～1.8 m。造波設(shè)備為液壓搖板式造波機(jī)，最大波高為30 cm，波動(dòng)周期為0.5～3.0 s。造流方式為全場(chǎng)循環(huán)造流，最大流速為0.3 m/s;風(fēng)速由可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)模擬，最大風(fēng)速為10 m/s。在造波設(shè)備所在池邊的對(duì)岸設(shè)置消波灘，可有效消除波浪到達(dá)對(duì)岸池壁之后出現(xiàn)的反射作用。

2.1 相似理論

根據(jù)《風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下浮式系統(tǒng)模型試驗(yàn)規(guī)程》[6]的要求,模型的縮尺比采用1∶30,應(yīng)滿(mǎn)足幾何相似、流體動(dòng)力相似、非定常流相似和錨鏈彈性相似。在模型中對(duì)柔性網(wǎng)衣作特殊處理，其需滿(mǎn)足幾何相似、重力相似和彈性相似。網(wǎng)衣模型設(shè)計(jì)遵循重力相似的變尺度網(wǎng)衣模型相似準(zhǔn)則[7]，可有效解決波浪、水流作用下的網(wǎng)衣水動(dòng)力特性模擬不準(zhǔn)確的問(wèn)題。由此,對(duì)網(wǎng)衣的輪廓尺寸采用1∶30的模型比尺，對(duì)網(wǎng)衣的網(wǎng)目大小和網(wǎng)線(xiàn)直徑采用1∶3的模型比尺,以精確模擬原型網(wǎng)衣的特性，降低網(wǎng)衣模型對(duì)水體流態(tài)和雷諾數(shù)的影響，保證水動(dòng)力相似,使網(wǎng)衣模型制作方案可行。

2.2 試驗(yàn)方法[8]

2.2.1 風(fēng)、流作用下的試驗(yàn)方法

將三分力傳感器固定在模型重心位置，使模型與副拖車(chē)連接，提前標(biāo)定好要求的風(fēng)速和流速，按試驗(yàn)要求的速度分別啟動(dòng)造風(fēng)設(shè)備或造流設(shè)備，測(cè)量浮體模型在不同艏向角下受到的局部坐標(biāo)系下x方向和y方向的分力，通過(guò)公式cwc=fwc/vwc2(其中:cwc為單位速度下的力系數(shù);fwc為要求風(fēng)速或流速下的受力;vwc為風(fēng)速或流速)推導(dǎo)出x方向和y方向的分力與速度的關(guān)系曲線(xiàn)。

2.2.2 規(guī)則波下的頻率響應(yīng)試驗(yàn)方法

采用《海洋工程結(jié)構(gòu)物耐波性試驗(yàn)規(guī)程》[9]推薦的約束系統(tǒng)布置方式，選擇合適的彈簧約束慢漂運(yùn)動(dòng)，將波高控制在一定范圍內(nèi)，模擬不同頻率(波長(zhǎng))的規(guī)則波進(jìn)行10～12個(gè)單項(xiàng)試驗(yàn)，在每個(gè)單項(xiàng)試驗(yàn)中同步測(cè)量波浪及浮體的橫搖、縱搖和垂蕩時(shí)歷數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析,得到浮體在規(guī)則波下的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。

2.2.3 錨泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)和受力測(cè)試方法

在模型的吃水、靜水衰減和水平系泊剛度校核完成之后，使錨鏈模型兩端分別與浮體的導(dǎo)纜孔和水池底部條件錨碇點(diǎn)相連接，并安裝提前標(biāo)定好的拉力傳感器，檢查預(yù)張力和儀器信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤之后，開(kāi)展風(fēng)、浪、流同向條件下的運(yùn)動(dòng)和受力試驗(yàn)測(cè)試。

3 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 風(fēng)、流系數(shù)

由于石油公司國(guó)際海事論壇(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)建議的風(fēng)力和流力經(jīng)驗(yàn)公式[10]是針對(duì)油船的，且與受風(fēng)和迎流面積有關(guān)，考慮到養(yǎng)殖平臺(tái)的很多桁架和網(wǎng)衣的迎風(fēng)、迎流投影面積難以準(zhǔn)確計(jì)算，直接將試驗(yàn)結(jié)果中的風(fēng)、流系數(shù)換算成力與速度的關(guān)系。平臺(tái)大部分都處于水面之下，圖3為風(fēng)、流系數(shù)的數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖3中可看出，單位流速下的流力明顯大于單位風(fēng)速下的風(fēng)力，流力占絕對(duì)主導(dǎo)地位。數(shù)值計(jì)算采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件StarCCM+進(jìn)行，計(jì)算中忽略網(wǎng)衣的影響。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體的變化規(guī)律一致，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較吻合。

a) 風(fēng)系數(shù)Fw

b) 流系數(shù)Fc

3.2 規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)

在數(shù)值分析中,采用基于三維勢(shì)流理論的水動(dòng)力軟件HydroSTAR建立養(yǎng)殖平臺(tái)模型，其中桁架單元采用Morison桿單元，不考慮網(wǎng)衣模型的影響。圖4為通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的平臺(tái)在不同浪向、規(guī)則波作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)。總體來(lái)說(shuō),模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的規(guī)律性一致，從某種程度上看,忽略網(wǎng)衣的影響可滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求，側(cè)面證明網(wǎng)衣在純波浪作用下對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響較小，浮箱和桁架系統(tǒng)起決定性作用。

3.3 錨泊系統(tǒng)安全性試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 靜水衰減結(jié)果

養(yǎng)殖平臺(tái)的穩(wěn)性值(初穩(wěn)心高度hGM)相比常規(guī)船大1個(gè)量級(jí)，因此衰減速度特別快，只能測(cè)得1～2個(gè)周期。圖5為橫搖和縱搖的靜水衰減曲線(xiàn)，其中:θ為縱搖角;s為波高;z為垂蕩值;w為波浪頻率。據(jù)此可求得平臺(tái)的橫搖周期為4.253 s，縱搖周期為4.576 s。

a) 0°浪向角下的縱搖結(jié)果

b) 0°浪向角下的垂蕩結(jié)果

c) 45°浪向角下的橫搖結(jié)果

d) 45°浪向角下的縱搖結(jié)果

e) 45°浪向角下的垂蕩結(jié)果

f) 90°浪向角下的橫搖結(jié)果

g) 90°浪向角下的垂蕩結(jié)果

a) 橫搖

b) 縱搖

3.3.2 水平系泊剛度

圖6為水平系泊剛度測(cè)試結(jié)果。由圖6可知：錨泊系統(tǒng)水平剛度試驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值計(jì)算值的整體變化規(guī)律較為一致，由于錨泊系統(tǒng)相對(duì)比較柔，錨碇點(diǎn)處在初始狀態(tài)下無(wú)任何預(yù)緊力，水平拉力與位移的關(guān)系曲線(xiàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合；錨泊系統(tǒng)懸鏈線(xiàn)長(zhǎng)度與水深比約為6.7，無(wú)論是縱向還是橫向，系泊剛度在位移小于25 m時(shí)都較小，在位移大于25 m之后呈現(xiàn)出高度的非線(xiàn)性，會(huì)導(dǎo)致迎浪側(cè)系泊纜受力激增。

a) 縱向

b) 橫向

3.3.3 風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)和受力值

養(yǎng)殖平臺(tái)在風(fēng)力、流力和波浪平均漂移力作用下偏移到一個(gè)新的平衡位置處做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，表2為4根系泊錨鏈的受力統(tǒng)計(jì)特征值，背浪側(cè)的1#和4#錨鏈處于松弛狀態(tài)，迎浪側(cè)的2#和3#錨鏈?zhǔn)芰ψ畲螅畲笾导s為1 270 kN，遠(yuǎn)小于錨鏈破斷負(fù)荷和錨抓力最大值，錨泊系統(tǒng)是安全的。表3為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值,橫搖和垂蕩最大值分別為10.30°和2.70 m。

表2 4根系泊錨鏈的受力統(tǒng)計(jì)特征值

表3 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)深水養(yǎng)殖平臺(tái)的水動(dòng)力特性及其錨泊系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和物模試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 由于平臺(tái)的初穩(wěn)心高度很大，穩(wěn)性較好，衰減速度很快，平臺(tái)的固有周期較小;

2) 模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明,單位速度下流力的影響大于風(fēng)力，流力占主導(dǎo)地位;

3) 基于勢(shì)流理論,忽略網(wǎng)衣影響的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與帶網(wǎng)衣的模型試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致;

4) 在風(fēng)、浪、流同向(090°)工況下，風(fēng)力、流力和波浪二階力迫使平臺(tái)偏離初始平衡位置，系泊纜在波頻和低頻作用下承受的最大作用力為1 272 kN，相對(duì)于錨鏈最小破斷負(fù)荷來(lái)說(shuō)，安全系數(shù)為2.9，滿(mǎn)足船級(jí)社相關(guān)規(guī)范的要求，具有一定的安全裕度。