V形浮體碼頭系泊方案研究

張 帥, 李 楷*, 麻 云 平, 董 立 佳, 王 運 龍, 尤 尹

( 1.大連理工大學 船舶工程學院, 遼寧 大連 116024;2.中國船舶及海洋工程設計研究院, 上海 200011 )

0 引 言

V形浮體作為三角形浮式基礎的一種變形,具有良好的穩定性和較低的建造成本,被廣泛用作海上浮式風機基礎,國內外學者對其進行了大量研究．Ohta等[1]為福島7 MW海上風機示范項目提出了一種V形半潛式浮式結構的設計方案,進行了模型試驗,結果表明該浮式結構具有良好的穩定性和防波性能,并且滿足系泊設備安全性要求．Shi等[2]提出了一種改進的帶有垂蕩板的V形半潛式浮式平臺,并針對其環境條件,利用AQWA軟件對改進后的V形浮體和原V形浮體不同響應量的動態響應進行了比較研究,發現改進后的V形浮體在平臺運動響應和系泊纜繩響應方面表現出更好的性能．Karimirad等[3]為5 MW浮式風機設計了一種V形半潛式浮式平臺,針對選定的環境條件,在中等水深下,對其運動響應進行了研究,驗證了該結構的優越性．

王宏偉等[4]針對某半潛式鉆井平臺,選擇3種不同的合成纖維材料及不同軸向剛度進行系泊方案設計,通過對平臺運動、系泊纜繩受力以及經濟性的比較,確定了聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)為系泊纜繩的材料．胡毅等[5]利用AQWA軟件研究了大型LNG船在風、浪、流聯合作用下的整體運動響應以及纜繩所受張力．李曉東等[6]針對某極地海域鉆井平臺進行系泊系統設計工作,選用常規錨鏈進行系泊,以滿足平臺在無冰期的作業需求．汪鐘靈等[7]以某躉船為研究對象,使用AQWA軟件建立模型,分析其在波浪作用下的動態響應以及不同系泊方式對系泊系統的影響,在滿足規范要求的基礎上提出了改進方案．陳徐均等[8]通過改變投錨距離、錨鏈預張力和錨鏈軸向剛度3個系泊參數,計算了浮體的運動響應以及錨鏈的張力變化,給出了浮體的布設建議,基于AQWA軟件分析了波幅、波向和波浪周期對系泊系統的影響,通過模型試驗驗證了數值計算結果的正確性[9]．

目前文獻中對傳統船舶和平臺的系泊研究已較為豐富,對V形浮體的系泊研究主要以工作狀態中運動響應分析為主,但對V形浮體碼頭系泊研究較少,對V形浮體碼頭系泊的可行性缺乏了解,有必要開展對V形浮體碼頭系泊方案研究,提升V形浮體碼頭系泊的安全性．

因此,本文以某V形浮體為研究對象,參照船舶碼頭系泊的基本原則,設計適用于V形浮體的系泊方案,采用時域耦合分析方法,充分考慮風、浪、流等環境荷載的綜合作用,分析其運動響應以及系泊系統的安全性,為V形浮體碼頭系泊提供參考．

1 理論基礎

系泊計算基于三維勢流理論,所運用的方法主要有面元法、傅里葉變換和Cummins脈沖響應方法[10]等．面元法可求解流場的速度勢;傅里葉變換可將頻域水動力參數轉換成時域水動力參數;通過Cummins脈沖響應方法可將船舶運動轉化為脈沖運動的疊加,從而在進行時域分析時利用頻域分析結果進行計算．

計算時假定流體是不可壓縮的理想流體且運動無旋,通過求解拉普拉斯方程獲得速度勢并計算在無旋場中的速度分布,進而用拉格朗日方程算出船體表面的壓力分布．拉格朗日方程為

(1)

式中:φ為速度勢;t為時間;p為壓強;ρ為流體密度;v為流場速度;g為重力加速度;z為流場中空間點的垂向坐標．

入射波速度勢為

(2)

式中:k為波數;d為水深;ζ為入射波振幅;ω為規則波頻率;x、y為沿該方向的位移;θ為入射波與x軸正向夾角．

一階波浪力的速度勢可以通過式(3)進行計算,即

(3)

式中:φd為繞射波速度勢;φj為六自由度方向的速度勢;xj為六自由度方向的位移．

以上速度勢求解后,可以通過拉格朗日方程計算水動力壓力分布,即

(4)

式中:P為水動力壓力;X為流場內某點的位置矢量．

將水動力壓力分布沿整個濕表面積積分得到船體受到的流體力,其表達式為

(5)

式中:S為船體的等效濕表面積;Fj為第j個自由度的一階波浪力;nj為船體濕表面某點的法向量．

通過求解運動方程(6),即可計算船舶在波浪作用下的運動響應:

(6)

式中:M為船舶質量矩陣;Ma為水動力附加質量矩陣;C為包括線性輻射阻尼在內的阻尼矩陣;K為系統總體剛度矩陣;F為船舶所受的波浪力．

2 荷載系數計算

本文采用AQWA軟件對該V形浮體碼頭系泊狀態進行模擬．在進行時域分析之前,需要獲得該V形浮體的風荷載系數和流荷載系數．本文采用Star-CCM+對該V形浮體進行荷載系數計算．

2.1 模型基本信息

該V形浮體的主尺度見表1,三維模型如圖1所示．本文在Star-CCM+中計算荷載系數時采用k-ε湍流模型,并對模型以1∶20進行縮尺．在進行縮尺時,依據雷諾相似準則,保證雷諾數相似．雷諾相似準則表達式為

圖1 V形浮體三維模型

(7)

式中:u為速度;ρ為密度;L為特征長度;μ為動力黏滯系數;下標p和m分別代表原型和模型．

表1 V形浮體主尺度

2.2 網格無關性驗證

CFD計算結果會隨著網格數量的增加而更加精確,同時計算成本也會隨之提高．為了在保證計算精度的基礎上盡量降低計算成本,需要進行網格無關性驗證,排除網格數量對仿真結果的影響．根據邊界條件的設置,選取網格基礎尺寸不同的5種網格模型進行仿真,觀察網格數量對計算結果的影響．網格模型具體情況見表2．

表2 網格模型具體情況

選取不同網格模型進行仿真,結果如圖2所示,可以看出采用網格模型4與網格模型5的計算結果相差不大,但網格數量差距接近200×104,因此選取網格模型4進行計算的結果可信且計算成本較低,后續計算均采用該網格模型．

圖2 網格無關性驗證

2.3 荷載系數計算結果

在應用CFD軟件進行計算時,網格劃分尤其重要,本文劃分的網格如圖3所示．

圖3 網格場景剖視圖

利用Star-CCM+分別計算0°～180°(間隔15°)的荷載,并通過式(8)、(9)將其轉換為量綱一的荷載系數．

(8)

式中:Cw,X為X方向風荷載系數;Cw,Y為Y方向風荷載系數;Cw,XY為艏搖方向風荷載系數;ρw為空氣密度;vw為風速;At為橫剖面迎風面積;Al為縱剖面迎風面積;Lbp為垂線間長;Mw,XY為船舶所受風荷載的回轉力矩．

(9)

式中:Cc,X為X方向流荷載系數;Cc,Y為Y方向流荷載系數;Cc,XY為艏搖方向流荷載系數;ρc為海水密度;vc為流速;T為吃水;Mc,XY為船舶所受流荷載的回轉力矩．

最終得出的量綱一的風荷載系數和流荷載系數分別如圖4、5所示．

圖4 風荷載系數

圖5 流荷載系數

3 V形浮體碼頭系泊分析

3.1 環境工況設置

本次系泊計算考慮風、浪、流對船舶碼頭系泊的影響．風是對碼頭系泊船舶影響頻率最高的環境荷載之一,經常給船舶系泊帶來巨大影響．流荷載作用在船體濕表面,由于該V形浮體濕表面積較大,流荷載對其系泊安全影響顯著[11]．

首先通過胡超魁等[12]在大連新港設置的3個觀測站(1號站和3號站位于大連新港東部海域,2號站位于大連新港南部大連灣海域)所得數據研究大連灣附近海域的全年海況信息．通過分析可知,1號站漲潮流流向多為W—N向,落潮流流向多為S—SW向;2號站漲潮流流向多為NW—SW向,落潮流流向多為NE—E向;3號站漲潮流流向多為SW向,落潮流流向多為NE向．同時,在觀測期間,最大實測流速為2號站表層流,流速為1.26 m/s,流向為252°,具體見表3．

表3 大連新港附近海域表層流流速與流向

大連附近海域的風多為NW風,平均風速為6 m/s．在胡超魁等[12]觀測期間所測得的最大風速為9 m/s．波高數據采用大連老虎灘海洋站20 a的資料統計,該區域年均波高是0.4～0.5 m[13]．

綜合考慮大連新港附近海域的環境特征,為進一步保證V形浮體在日常環境下的系泊安全,環境工況的設定見表4．

表4 環境工況設定

一般來說,對于浮式結構物,當風、浪、流對系泊系統作用力方向相同時將產生最大的力[14]．因此本文計算假定各環境荷載方向相同,計算角度間隔為30°．

3.2 系泊系統基本參數

對該V形浮體系泊系統進行時域仿真模擬的系泊物包括纜繩和護舷,其中纜繩為尼龍纜繩．尼龍纜繩基本參數見表5．

表5 尼龍纜繩基本參數

碼頭設置4個型號為SC2000H的超級鼓型(SUC)橡膠護舷,均為標準反力型．護舷基本參數見表6．

表6 護舷基本參數

3.3 系泊方案設計

從纜繩受力特點來說,纜繩越短,應變越大,受力就越大;纜繩破斷順序與纜繩長度密切相關,在風、浪、流的來襲方向,最先破斷的纜繩基本是長度最短的纜繩[15]．因此,考慮增加近端纜繩數量,適當減少遠端纜繩數量．參考石油公司國際海事論壇(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)發布的Mooring Equipment Guidelines[16],盡量減小系泊纜繩的垂向角度,使具有相同功能的系泊纜繩長度接近．綜合以上因素,設計了以下兩種不同的系泊方案．

(1)系泊方案1

由于V形浮體結構形式的特殊性,可以考慮利用碼頭兩垂直邊進行系泊,以減少對碼頭面積的占用．

V形浮體對稱系泊在碼頭90°內,每一側片體與碼頭夾角均為15°．纜繩關于V形浮體軸線對稱布置,共18根,分為8組,其中2、3、7、8組纜繩主要承受船尾方向的力,作用是防止船身后移;1、4、5、6組纜繩主要承受船首方向的力,作用是防止船身前移．同時,這些纜繩均與系泊系統的X軸有一定角度,可以承受橫向荷載,防止船身橫向移動．在V形浮體船首兩舷側附近各固定放置一艘梯形駁船,駁船舷側布置2個護舷,以降低浮體與碼頭接觸時發生危險的可能性．系泊示意圖如圖6所示．

(b) AQWA軟件計算模型

(2)系泊方案2

該系泊方案是常規系泊,利用V形浮體的一側片體與碼頭平直邊進行系泊．纜繩總共11根,分為8組,1、2、3、4組與5、6、7、8組近似對稱分布．其中1、2、3組纜繩作為浮體的尾纜,主要承受船尾方向的力,防止船身前移;6、7、8組纜繩作為浮體的頭纜,主要承受船首方向的力,防止船身后移．以這種方式系泊時,由于V形浮體結構的特殊性,從船尾方向來流對船體系泊的影響大于從船首方向的來流,因此尾纜相較于首纜增加一根．4、5組纜繩位于一側片體的中心位置兩側,主要承受橫向力,防止船身的橫向移動．

以該種方式進行系泊時,為了降低浮體與碼頭接觸時發生危險的可能性,保證系泊系統的安全,在碼頭的船首和船尾附近各放置2個護舷,護舷采用SC2000H超級鼓型(SUC)橡膠護舷．系泊示意圖如圖7所示．

(a) 系泊方案布置圖

(b) AQWA軟件計算模型

3.4 不同系泊方案系泊性能比較

利用AQWA軟件對系泊系統進行靜力平衡計算,采用系泊纜繩的張力以及護舷壓力評估各系泊方案的系泊性能[17]．按照上文確定的環境工況,在AQWA軟件時域水動力分析模塊設置風、浪、流作用下V形浮體的運動模擬時長為10 800 s,時間步長為0.1 s．根據獲得的計算結果,可以統計出不同環境荷載角度下系泊纜繩的張力和護舷壓力的最大值,見表7～10,根據分析計算結果對系泊系統的系泊性能進行評估．Mooring Equipment Guidelines[16]規定:除鋼絲繩外,其余系泊纜繩的安全系數應大于2．因此,當所有系泊纜繩的安全系數大于2,且護舷所受壓力小于最大作用反力時,即為滿足安全性的要求．

表7 系泊方案1各方向最大系泊纜繩張力

表8 系泊方案2各方向最大系泊纜繩張力

表9 系泊方案1各方向最大護舷壓力

表10 系泊方案2各方向最大護舷壓力

本文設計的兩種系泊方案采用的均為直徑80 mm的尼龍纜繩,其破斷荷載為1 200 kN,因此考慮安全系數后的破斷力許用值是600 kN．本文所采用的SC2000H超級鼓型(SUC)橡膠護舷的設計作用反力為1 781 kN．

通過分析計算結果可以看出,在相同環境荷載下,采用系泊方案1進行系泊時,系泊纜繩張力會在環境荷載方向為90°和120°時超過破斷力許用值,系泊纜繩安全系數小于2,導致系泊系統存在安全風險．而采用系泊方案2進行系泊時,所有系泊纜繩安全系數均大于2,同時,4個護舷壓力均小于最大作用反力,系泊系統無安全風險．

同時,系泊方案1需要18根系泊纜繩與4個護舷,而系泊方案2只需要11根纜繩與4個護舷,從系泊經濟性來說,系泊方案2也優于系泊方案1．因此,采用系泊方案2進行后續計算．

4 主要參數對系泊系統的影響分析

4.1 排水量對系泊系統的影響

采用系泊方案2,通過對比該V形浮體分別吃水15 m和10 m的系泊性能發現,在風速15 m/s、波高1 m、流速1.5 m/s的環境工況下,當V形浮體吃水為10 m時,可以安全系泊,而當吃水為15 m時,在環境荷載方向為-180°、-150°、-120°和150°時,系泊纜繩安全系數小于2．具體計算結果見表11．

表11 吃水15 m時采用系泊方案2各方向最大系泊纜繩張力

造成上述現象的原因為V形浮體的排水量增加,其吃水隨之增加,濕表面積增大,作用于浮體上的流荷載進而增大,且流荷載遠大于風荷載．因此,該V形浮體進行碼頭系泊時,應盡量降低其排水量,減小吃水,以保證系泊系統的安全．

4.2 系泊纜繩種類對系泊系統的影響

上文中利用AQWA軟件進行的時域水動力分析均采用的是直徑80 mm的尼龍纜繩．為探究系泊纜繩種類對系泊系統的影響,將纜繩更換為直徑64 mm的迪尼瑪纜繩再次進行計算．

迪尼瑪纜繩由超高分子質量聚乙烯纖維編織而成,具有諸多優越性,如密度低、質量小、強度高和耐腐蝕等[18]．本文采用的迪尼瑪纜繩基本參數見表12．具體計算結果見表13．

表12 迪尼瑪纜繩基本參數

表13 系泊方案2采用迪尼瑪纜繩時的各方向最大系泊纜繩張力

從表13可見,當采用迪尼瑪纜繩時,所有系泊纜繩的安全系數均大于2,且與采用直徑80 mm的尼龍纜繩相比,其安全系數更高,相對來說系泊系統的安全性更高．如圖8所示,由于迪尼瑪纜繩的剛度較尼龍纜繩更大,在對V形浮體位移的限制上也有明顯優勢,可以使浮體的運動幅度更小．但迪尼瑪纜繩相較于尼龍纜繩來說價格昂貴,在選擇纜繩時應綜合考慮其性價比等因素．

圖8 采用迪尼瑪纜繩和尼龍纜繩的位移對比

5 結 論

(1)利用碼頭兩垂直邊進行系泊時,系泊纜繩張力會在環境荷載方向為90°和120°時超過破斷力許用值,系泊纜繩的安全系數小于2,導致系泊系統存在安全風險．而利用V形浮體一側片體與碼頭平直邊進行系泊時,所有系泊纜繩的安全系數均大于2,4個護舷壓力均小于最大作用反力,系泊系統無安全風險．因此,對于該V形浮體,應當采用系泊方案2對其進行系泊．

(2)在對V形浮體進行碼頭系泊時,應盡量降低其排水量,減小吃水,以減小流荷載對系泊系統的影響,從而提升其安全性．

(3)采用強度和剛度更大的迪尼瑪纜繩可以提升系泊系統的安全性并顯著降低V形浮體的運動幅度,但選擇系泊纜繩時還需綜合考慮系泊成本．

(4)本文所計算的環境工況相較于大連新港附近海域全年絕大部分時間的環境工況更為惡劣,但若遇臺風等極端天氣,應采取相應措施,以保證系泊系統的安全性．