凌宏杰,王志東,丁 軍,吳 波

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.中國船舶科學研究所, 無錫 214082)

海洋中蘊含豐富的油氣資源和漁業(yè)資源,開發(fā)和利用海洋包括島礁資源已經成為經濟與技術發(fā)展方向．環(huán)繞島礁延伸數(shù)百米至數(shù)千米水深均為較淺的礁盤,礁盤位置不僅具有豐富的漁業(yè)和旅游資源,而且具有消波護島、防止海水侵蝕島體本身等作用．應用可移動式浮式平臺作為近島礁的基地,具有不會對島礁生態(tài)環(huán)境、礁盤和海島陸地形態(tài)產生影響的優(yōu)點,同時為海洋及島礁的建設與資源開發(fā)提供后勤基地,具備靈活、機動等特點．

對于海洋浮式平臺水動力性能,國內外在該領域開展了大量的研究工作．文獻[1]中開展了風浪聯(lián)合作用下多體浮式結構物時域的數(shù)值模擬與分析,給出了平臺時域中運動響應與分析．文獻[2]中開展了深水(1 500 m)半潛式平臺水動力性能研究,采用頻域計算方法，給出了平臺運動響應結果并與模型試驗結果進行對比分析．文獻[3]中采用時域耦合分析方法,研究了Truss Spar 平臺的耦合動力特性問題．文獻[4]中基于AQWA軟件和水池模型試驗開展了近島礁懸鏈線系泊模式下半潛式平臺的水動力性能的相關研究,取得了對近島礁平臺設計具有指導意義的成果．文獻[5]中對新型半潛平臺開展數(shù)值計算分析并與常規(guī)型半潛平臺對比分析研究．文獻[6]中針對GVA4000 半潛平臺進行數(shù)值計算,數(shù)值結果與試驗結果對比吻合良好．文獻[7]中在時域和頻域中對浮式平臺進行分析,重點研究平臺的一階和二階波浪力激勵下平臺的運動．文獻[8]中基于AQWA軟件研究了復雜的海洋環(huán)境載荷,包括隨機波浪載荷、風載荷和流載荷的多重作用,浮式平臺與系泊纜索之間的相互影響,采用時域耦合的分析方法對深海領域復雜工況下的半潛式鉆井平臺的水動力性能和系泊性能進行了分析．文獻[9]中基于三維時域格林函數(shù)理論,提出了采用時域物面非線性理論方法直接模擬系泊浮體時域耦合分析所需的水動力,建立了系泊浮體波浪中時域耦合運動的數(shù)學模型,系統(tǒng)研究了系泊Spar平臺波浪中的耦合運動響應及系泊線張力．文獻[10]中利用AQWA軟件對目標平臺進行頻域下的水動力分析,得到平臺的運動響應數(shù)據(jù);最后.根據(jù)規(guī)范設計了一種新型半潛式平臺的錨泊系統(tǒng),對平臺與錨泊系統(tǒng)進行時域耦合分析,為目標平臺的控制提供精確預報．文獻[11]中基于AQWA軟件研究了水動力系數(shù)變化特征并進行了運動響應預報，同時進行了模型試驗,驗證利用頻域分析方法進行數(shù)值模擬的可行性．

國內外學者采用的研究對象主要集中于深水條件下的海洋平臺,在淺水及近島礁條件下的平臺水動力分析方面的研究論文則極少．文中基于勢流軟件AWQA與模型試驗方法對島礁地形下浮式平臺的水動力性能與運動響應開展研究工作,采用新型“水鼓式系泊”方案,浮式平臺不規(guī)則波中的運動響應考慮了船舶?？繝顟B(tài)屬于多體耦合問題(上述文獻中均未開展此類研究工作)，對比分析了深水與淺水狀態(tài)浮式平臺的水動力特性,定量分析了島礁地形對浮式平臺水動力及運動響應的影響;數(shù)值計算結果通過了模型試驗驗證,可為淺水條件下浮式平臺的水動力性能研究和系泊系統(tǒng)的設計提供參考．

1 計算模型

1.1 浮式平臺參數(shù)

浮式平臺示意見圖1．浮式平臺為方箱型,兩端略收縮,兩端各設兩個錨機用于拉緊錨泊系統(tǒng);平臺靠海一側設有兩組帶纜樁用于?？看跋挡?靠岸一側設有坡道與浮駁連接,實現(xiàn)與岸相連．模型試驗時考慮平臺的風浪流聯(lián)合作用下的運動響應，對浮式平臺甲板上方的生活樓、吊機、錨機等設備進行了模擬．坐標系滿足右手系,浮式平臺的主尺度參數(shù)見表1．

圖1 浮式平臺示意Fig.1 Model of floating platform表1 浮式平臺的主尺度參數(shù)Table 1 Main dimensions of floating platform

長/m寬/m高/m吃水(距基線)/(m)排水量/t重心位置/m1002562.76494.8(0,0,4.30)

1.2 島礁地形模型

基于島礁實地地形的測量數(shù)據(jù),模型試驗三維地形斷面坐標見表2．綜合考慮計算效率和網格單元數(shù)的限制等因素,水動力計算中選取了實際地形的其中一塊矩形區(qū)域200 m×150 m(平臺系泊所處位置),完全浸沒于水面以下．地形周圍的海底深度為30 m,而地形高度隨著水平位置的變化而變化,平臺中心點處的水深約為16 m．

在近島礁海域,波浪傳播速度隨著水深變淺而減小,浪向垂直于礁盤岸線,波形由正弦波轉化為坦谷波,峰谷值不對稱,對平臺的運動響應及受力狀態(tài)有較大影響,因此研究受到近島礁地形影響下浮式平臺的運動響應有著重要的意義．圖2為島礁三維地形計算模型，圖3為浮式平臺的坐標系(滿足右手系)．

表2 三維地形斷面坐標Table 2 Profile coordinate of 3D terrain mm

圖2 島礁三維地形計算模型Fig.2 3D terrain model of island reef

圖3 浮式平臺坐標系Fig.3 Coordinate system of floating platform

1.3 系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)設計依據(jù)首先是滿足平臺安全作業(yè)和生存的需求,同時最大限度地提高平臺在運行中的方便性、可靠性和經濟性．浮式平臺采用混合(水鼓)式系泊系統(tǒng)方案,即在低海況作業(yè)狀態(tài)下采用艏艉雙水鼓平行岸線系泊方式,便于船舶靠幫作業(yè)．在高海況下解脫艉部水鼓形成僅系泊于艏部水鼓的單點系泊以利用風標效應減小環(huán)境力提高抗風流能力．圖4為系泊系統(tǒng)的布置方案及試驗中系泊纜張力的測點分布．其中平臺系泊纜預張力為100 t,船舶靠幫系纜的預張力10 t．

圖4 系泊系統(tǒng)測點布置Fig.4 Layout of mooring system measuring point

數(shù)值計算在頻域中模擬1 m 波高的規(guī)則波,浪向為135°,作為對比,無島礁地形下的平臺計算水深為30 m,而考慮島礁地形的入射波水深為30 m,在平臺布放處的水深為16 m,數(shù)值計算與模型試驗一致，條件見表3．

表3 規(guī)則波條件Table 3 Regular wave conditions

模型試驗模擬有船舶靠幫和無船舶靠幫在典型海況下浮式平臺的運動響應和系泊張力，數(shù)值計算與模型試驗一致，相關的環(huán)境條件見表4．

表4 不規(guī)則波條件Table 4 Irregular wave conditions

2 水動力性能分析

2.1 島礁地形對平臺運動響應影響分析

圖5～10為有島礁地形和無島礁地形時浮式平臺運動響應的對比結果．圖中圓點的擬合曲線為無島礁地形條件下浮式平臺運動響應幅值算子RAO的變化規(guī)律,圖中三角點的擬合曲線為有島礁地形下浮式平臺RAO變化規(guī)律．橫坐標為入射波浪周期T,縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖的RAO分別為1 m波高下浮式在該方向的位移和轉動角度．為了充分體現(xiàn)6個自由度的RAO,文中給出的入射波角度為135°,該浪向角下平臺在6個自由度都有較大的量值．

當入射波周期小于12 s時,除艏搖外,浮式平臺RAO值整體變化規(guī)律相似,有島礁地形普遍小于無島礁地形情況;入射波波長小于有效地形長度,島礁地形對入射波的反射作用,削弱了入射波能量,因此出現(xiàn)浮式平臺RAO有島礁地形小于無島礁地形．由于三維島礁地形存在,改變了入射波傳播方向(垂直于島礁的坡岸),增大了平臺的轉艏力矩,艏搖角度增大．

當入射波周期大于12 s時,除垂蕩運動外,其他5個自由度浮式平臺RAO值有島礁地形普遍大于無島礁地形情況，原因為:① 入射波波長大于有效地形長度,平臺的繞射效應增強,衰減弱,由于島礁地形存在對流體的擠壓作用,平臺運動更加劇烈；② 入射波為正弦波,傳播至平臺位置處發(fā)展為坦谷波(波浪隨地形斷面演變的試驗測試曲線見圖11),對平臺的抬升能力減弱,因此近島礁平臺垂蕩運動小于深水情況，H為波高，h為地形高度，x為沿地形剖面的長度．

圖5 平臺縱蕩運動響應RAOFig.5 Surge response RAO of platform

圖6 平臺橫蕩運動響應RAOFig.6 Swag response RAO of platform

圖7 平臺垂蕩運動響應RAOFig.7 Heave response RAO of platform

圖8 平臺橫搖運動響應RAOFig.8 Roll response RAO of platform

圖9 平臺縱搖運動響應RAOFig.9 Pitch response RAO of platform

圖10 平臺艏搖運動響應RAOFig.10 Yaw response RAO of platform

圖11 波浪沿地形斷面演變Fig.11 Evolution of the wave along the topography

2.2 浮式平臺響應與試驗結果對比分析

浮式平臺模型試驗在南京水利科學研究院的風浪流綜合水池進行,水池底部按照島礁實測地形數(shù)據(jù)及模型縮尺比(1 ∶40)構建了海底三維地形．圖12為島礁三維地形建造示意,圖13為地形條件下浮式平臺模型試驗．試驗中開展了規(guī)則波作用下浮式平臺運動響應的試驗測試,得到了平臺在深水區(qū)和地形上的平臺垂蕩、橫搖、縱搖3個自由度的RAO數(shù)值．文中基于勢流理論開展數(shù)值模擬的島礁地形及平臺布放位置與試驗相一致．圖為數(shù)值計算與模型試驗所得到島礁地形下和深水條件下浮式平臺運動響應RAO的對比．

圖12 島礁三維地形建造示意圖Fig.12 3D terrain schematic diagram of island reef

圖13 地形條件下浮式平臺模型試驗Fig.13 Topography floating platform model test chart

平臺模型試驗模擬的波浪周期T=5.0～12.0，ΔT=1 s)．采用4根軟彈簧消除平臺的水平向運動,因此模型試驗只給出了垂向3個自由度的RAO．從圖14～19中可以看出：數(shù)值計算結果與模型試驗值吻合良好；試驗值普遍大于數(shù)值計算值,尤其是有島礁地形的情況,可能是數(shù)值計算采用的是線性波理論求解,非線性特性沒有體現(xiàn);有島礁地形的存在時,非線性特性體現(xiàn)更加明顯,數(shù)值計算與模型試驗的誤差有所增加．整體而言,應用AQWA軟件開展島礁地形下平臺的運動響應數(shù)值計算結果與模型試驗值吻合良好．

圖14 平臺垂蕩RAO與試驗對比(深水)Fig.14 Compare heave RAO with test (deep water)

圖15 平臺垂蕩RAO與試驗對比(淺水)Fig.15 Compare heave RAO with test (shallow water)

圖16 平臺橫搖RAO與試驗對比(深水)Fig.16 Compare roll RAO with test (deep water)

圖17 平臺橫搖RAO與試驗對比(淺水)Fig.17 Compare roll RAO with test (shallow water)

圖18 平臺縱搖RAO與試驗對比(深水)Fig.18 Compare pitch RAO with test (deep water)

圖19 平臺縱搖RAO與試驗對比(淺水)Fig.19 Compare pitch RAO with test (shallow water)

2.3 近島礁地形下浮式平臺短期預報分析

島礁地形下浮式平臺在不規(guī)則波的運動響應是通過3 h短期預報所得統(tǒng)計值．入射波采用JONSWAP譜,譜峰增長因子γ取3.0．具體的計算工況見表3．表5為浮式平臺運動響應最大值數(shù)值計算與模型試驗對比;表6為系泊纜張力最大值數(shù)值計算與模型試驗對比．

島礁地形下帶有船舶靠幫的浮式平臺在系泊模式狀態(tài)下屬于復雜的多體耦合作用(圖20的計算模型示意),外界輸入載荷包括波浪和風載荷,從表5可以看出：由于波浪和風的入射方向為90°,浮式平臺的橫蕩、垂蕩和橫搖3個自由度受到較大的波浪載荷與風載荷,出現(xiàn)較大的運動量;在縱蕩、縱搖和艏搖3個自由度上主要由于地形和船舶首尾不對稱引起的載荷略微不對稱,出現(xiàn)一個小量運動,在試驗和數(shù)值計算中均不作為重點研究對象;基于AQWA勢流軟件處理復雜多體耦合問題中需要進行簡化計算;模型試驗處理此類復雜問題存在合理簡化、儀器測量存在誤差及數(shù)后處理對采集信號進行統(tǒng)計分析存在誤差,誤差之間存在累積效應;橫蕩、垂蕩和橫搖3個自由度運動為主要考核指標,數(shù)值計算與模型試驗誤差分別為橫蕩12.3%、垂蕩25%、橫搖11.1%．

從表6中可以看出：整個系泊系統(tǒng)中,除A2工況船舶艏部與浮式平臺連接的系泊纜張力試驗值大外,各個位置的系泊纜載荷數(shù)值計算結果均略大于模型試驗．出現(xiàn)A2工況異常情況原因是由于船舶艏部纖瘦,初始預張力將船舶與浮式平臺直接拉案,試驗測試過程中,船舶沿船長方向出現(xiàn)錯動,船舶與平臺直接出現(xiàn)微小間隙,船舶艏部與浮式平臺之間的系泊纜出現(xiàn)脈沖載荷,數(shù)值增大．

圖20 計算模型示意Fig.20 Model diagram表5 浮式平臺運動響應最大值數(shù)值計算與模型試驗對比表Table 5 Comparison of numerical calculation and model test of maximum motion response of floating platform

海況縱蕩/m橫蕩/m垂蕩/m橫搖/(°)縱搖/(°)艏搖/(°)A1計算值0.17.50.32.200.3A1試驗值0.206.680.241.980.330.59A2計算值0.18.20.421.60.150.4A2試驗值0.227.560.391.920.280.66

表6 系泊纜張力最大值數(shù)值計算與模型試驗對比表Table 6 Comparison table between maximum value of mooring line tension and model test t

3 結論

(1) 應用AQWA軟件,采用多體耦合的方式可以有效解決島礁地形下的浮式平臺的數(shù)值模擬,計算結果與試驗結果吻合較好;

(2) 對比有無島礁地形下浮式平臺的運動響應傳遞函數(shù),周期小于12 s的入射波激勵下,島礁地形下浮式平臺運動量普遍小于無島礁情況;

(3) 系泊模式下浮式平臺(船舶?？?在典型海況中運動響應和系泊纜張力的數(shù)值計算與模型試驗結果存在一定差距,復雜環(huán)境下多體耦合的數(shù)值求解算法需要進一步完善．

文中采用的數(shù)值計算方法,通過有無島礁地形與相應的模型試驗結果對比分析,為近島礁條件下浮式平臺的運動性能和系泊系統(tǒng)的方案設計提供一種有效的分析方法和手段．

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