潘 昀， 左 孝， 馮 德 軍， 張 清 靖， 桂 福 坤*

(1.浙江海洋大學(xué) 浙江省海洋養(yǎng)殖裝備與工程技術(shù)重點實驗室， 浙江 舟山 316022；2.北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所 漁業(yè)生物技術(shù)北京市重點實驗室， 北京 100068 )

0 引 言

海洋資料浮標(biāo)是一種布放在特定海域用于定點觀測海洋環(huán)境的技術(shù)裝備，能夠長期、連續(xù)、自動地采集和發(fā)送海洋環(huán)境觀測資料，是現(xiàn)代海洋環(huán)境立體觀測系統(tǒng)的重要組成部分[1].20世紀(jì)60年代我國開始海洋資料浮標(biāo)的研發(fā)，自主設(shè)計生產(chǎn)了多種結(jié)構(gòu)形式的錨泊海洋資料浮標(biāo)和專用海洋浮標(biāo)[2]，浮標(biāo)研制和測量技術(shù)已接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平.常見的浮標(biāo)結(jié)構(gòu)有圓盤形、船形和球形等，主要用于海洋水文氣象資料的獲取.但對專用于海洋養(yǎng)殖浮標(biāo)的研究仍處在摸索階段[3-4].

海洋設(shè)施養(yǎng)殖需要對不同深度水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而對養(yǎng)殖環(huán)境作出預(yù)警和調(diào)控.柱式浮標(biāo)由桂福坤等[5]提出，主要由艙體、浮架、配重和錨繩等組成，浮架不同深度裝有水泵抽取水樣，可同時觀測水面附近和水下剖面的環(huán)境參數(shù)，主要用于海洋養(yǎng)殖區(qū).通過分析柱式浮標(biāo)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，可對漁業(yè)投餌、魚類健康等作出科學(xué)判斷[6].與傳統(tǒng)球形、圓盤形、船形浮標(biāo)相比，柱式浮標(biāo)與水體接觸面積顯著減小，降低了波浪對浮標(biāo)的作用荷載，提高了浮標(biāo)的抗風(fēng)浪性能；柱式浮標(biāo)整體重心在水下約10 m處，大大增加了其穩(wěn)定性；不同水深處取水管道可以依附柱式浮標(biāo)的圓柱，實現(xiàn)25 m水深分層取樣監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù).柱式浮標(biāo)結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)浮標(biāo)存在較大差異，因此需要探究波浪作用下柱式浮標(biāo)的水動力特性，得到柱式浮標(biāo)及其錨繩的波浪作用機(jī)制，分析其抗風(fēng)浪性能，論證其能否適應(yīng)復(fù)雜海洋動力環(huán)境，并提高數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度，這對海洋漁業(yè)生產(chǎn)有重要意義[7].

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了較多關(guān)于浮標(biāo)水動力特性的研究，Ryu等[8-9]應(yīng)用完全耦合的時域方法計算了深水浮標(biāo)的運動響應(yīng)，并得到試驗驗證；Salem 等[10]采用線性化方法求解了運動方程，研究了CALM(catenary anchor leg mooring)浮標(biāo)縱搖方向的運動響應(yīng)；Monroy等[11]則應(yīng)用SWENSE(spectral wave explicit Navier-Stokes equations)方法創(chuàng)建了新的波浪模型，研究CALM浮標(biāo)在規(guī)則和不規(guī)則波下的運動響應(yīng)；Chang等[12]研究了波浪作用下錨泊浮標(biāo)的非線性動力響應(yīng)，并構(gòu)建了動態(tài)響應(yīng)模型；張繼明等[13]建立了頻域內(nèi)的運動微分方程，仿真了浮標(biāo)模型在波浪中的運動，并利用模型試驗對模型阻尼矩陣進(jìn)行了修正；Zhu等[14]針對一球形錨泊浮標(biāo)系統(tǒng)使用錨繩上的局部坐標(biāo)系，構(gòu)建了一種計算速度快、精度高的數(shù)值模型，分析了浮標(biāo)時域和頻域內(nèi)的運動響應(yīng)；何大華等[15]對較大誤差下浮標(biāo)傾角的測量方法進(jìn)行了研究，給出了一種矩陣變換求解浮標(biāo)姿態(tài)的方法.

上述研究都是針對傳統(tǒng)浮標(biāo)，尚無關(guān)于柱式浮標(biāo)水動力研究及其在實際海域抗風(fēng)浪能力驗證研究.因此，本文基于上述關(guān)于浮標(biāo)水動力特性研究的方法和內(nèi)容，采用物理模型試驗方法，研究柱式浮標(biāo)在波浪條件下水動力特性，重點分析其運動姿態(tài)及錨繩拉力，為柱式浮標(biāo)設(shè)計和抗風(fēng)浪性能評估提供參考，并為后續(xù)數(shù)值模擬提供驗證資料.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗在浙江海洋大學(xué)水動力實驗室進(jìn)行，試驗水池尺度115 m×6.5 m×3.5 m，最大造波30 cm，周期0.5～2.0 s.試驗中用到的儀器包括浪高儀(BG-100型，精度±1 mm，天津奧菱工業(yè)自動化科技有限公司)、拉力傳感器(JLBS-P1型，滿量程精度0.1%，蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等.浮標(biāo)模型依據(jù)幾何相似準(zhǔn)則，按1∶7.8的比尺采用PVC管制作，如圖1所示.受試驗條件限制，PVC浮架質(zhì)量大于原型重力縮小后的質(zhì)量，所以以PVC浮架質(zhì)量為參照標(biāo)準(zhǔn)，對照原型各部分質(zhì)量比值設(shè)計艙體和配重的質(zhì)量[16].

(a) 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 浮標(biāo)模型圖

1.2 試驗條件

謝冬梅等[17]統(tǒng)計了我國東海近海的平均有效波高為1.3 m(物理模型16.7 cm)，5%累積頻率有效波高為3.0 m(物理模型38.5 cm)，波浪周期為1～5 s，結(jié)合浮標(biāo)模型幾何比尺和水池造波能力，采用兩種工況進(jìn)行試驗條件的設(shè)計.

工況1：固定波浪周期2.0 s，5組波高(10、14、18、22、26 cm)，盡量選擇較大波高的波浪研究浮標(biāo)模型水動力特性變化，探究浮標(biāo)抗風(fēng)浪性能.

工況2：固定波高18 cm，5組波浪周期(1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 s)，盡量選擇較多組次的波浪周期研究浮標(biāo)模型水動力特性變化，探究浮標(biāo)穩(wěn)定性.

如圖2所示，兩兩錨繩呈120°系縛浮標(biāo)模型，固定于水池中央，迎波面錨繩為B錨繩，兩側(cè)為A錨繩和C錨繩，3根錨繩的固定端連接拉力傳感器.在B錨繩與拖車系縛點布置1支浪高儀，與拉力傳感器一并連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)波高和拉力的同步采集.浮標(biāo)正下方布置CCD圖像采集系統(tǒng)，使用同一臺電腦進(jìn)行操作采集，形成集浮標(biāo)運動、錨繩拉力、浪高為一體的采集裝置.試驗設(shè)備和各項參數(shù)調(diào)試完成后，啟動造波機(jī)按照工況1和工況2進(jìn)行造波，同步采集波高和錨繩拉力數(shù)據(jù)，并使用CCD攝像機(jī)采集浮標(biāo)模型上兩個發(fā)光二極管的運動軌跡(圖1(b)).

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

1.3.1 CCD圖像采集 試驗開始前調(diào)試二極管，保證其正常工作，提供穩(wěn)定光源.待水池形成穩(wěn)定波浪后(經(jīng)過浮標(biāo)約3個波浪，此時水池后端仍未形成波浪，無波浪的二次反射影響)，采集拉力的同時，打開CCD攝像機(jī)，連續(xù)采集180張8位灰度圖像.灰度圖像上兩個發(fā)光點即為浮標(biāo)上端二極管瞬時位置，通過自行開發(fā)的圖片分析軟件對灰度圖像中光點跟蹤分析處理得到浮標(biāo)模型的運動軌跡[18].

圖像處理軟件通過對180張灰度圖像中兩個發(fā)光點的連續(xù)跟蹤，得到圖3(a)所示的示蹤點運動軌跡.試驗中軌跡采集時間為10 s，包括4～6個完整運動周期的軌跡，對圖3(a)中幾個完整周期內(nèi)的軌跡做平均處理，得到的運動軌跡更清晰準(zhǔn)確，減少試驗誤差，如圖3(b)所示.

1.3.2 錨繩張力采集 造波機(jī)啟動后，待2～3個波浪經(jīng)過浮標(biāo)模型后，開始采集3根錨繩上拉力傳感器的受力數(shù)據(jù)，每次持續(xù)采集10 s連續(xù)數(shù)據(jù)，采集完成后，統(tǒng)計分析浪高儀采得的波高數(shù)據(jù)，若滿足預(yù)設(shè)波高條件的精度則保存數(shù)據(jù)，否則重新試驗，直至滿足試驗精度.最終得到滿足試驗精度要求的3次重復(fù)試驗，取拉力平均值作為對應(yīng)波浪條件下的錨繩拉力.圖4(a)為采集的拉力源數(shù)據(jù)，通過快速傅里葉變換算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行毛刺處理.快速傅里葉變換是離散傅里葉變換的高效算法，在圖像信號處理中得到廣泛應(yīng)用[19].圖4(b)為濾波后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，數(shù)據(jù)中毛刺明顯減少的同時，保證了數(shù)據(jù)的客觀性.

圖2 試驗示意圖

(a) 示蹤點運動軌跡

(b) 平均后的示蹤點運動軌跡

(a) 濾波前數(shù)據(jù)

(b) 濾波后數(shù)據(jù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 浮標(biāo)運動軌跡分析

圖5(a)、(b)分別為左、右側(cè)示蹤點在固定周期為2.0 s，波高分別為10、14、18、22、26 cm的5種條件下的運動軌跡.取水面靜止時兩示蹤點位置的中點為坐標(biāo)原點，可以得出，總體上浮標(biāo)的運動軌跡呈近似的橢圓形.隨著波高增大，兩側(cè)示蹤點運動軌跡的右端均向X軸正方向增大，運動軌跡的左端幾乎保持不變，Y軸正負(fù)方向均有所增大.隨著波高增大，在B錨繩系縛點的作用下，運動軌跡呈右移的趨勢，軌跡越來越“扁平”.

(a) 左側(cè)示蹤點運動軌跡

(b) 右側(cè)示蹤點運動軌跡

圖5 示蹤點運動軌跡(工況1)

Fig.5 Tracing point trajectory (Case 1)

表1 示蹤點運動軌跡的特征值(工況1)

表1給出了浮標(biāo)模型示蹤點運動軌跡隨波高變化的特征值，其中Al、Ar分別表示左、右側(cè)示蹤點運動軌跡面積，Lhl、Lhr分別表示左、右側(cè)橫搖幅度，Lzl、Lzr分別表示左、右側(cè)縱搖幅度.由表1可見，隨著波高增大，總體上運動軌跡包含的面積是不斷增大的，反映了浮標(biāo)運動在加強(qiáng).同時，左側(cè)示蹤點對應(yīng)的運動軌跡面積大于右側(cè)示蹤點，說明左側(cè)示蹤點的變化更大，但當(dāng)波高增大至22 cm后，運動軌跡面積變化較小.隨著波高增大，浮標(biāo)橫搖幅度也增大，而且其兩側(cè)示蹤點的運動規(guī)律基本一致，均在10 cm到18 cm波高橫搖幅度顯著增大，在波高達(dá)到22 cm后，增大減緩.最小波高到最大波高，左、右兩側(cè)橫搖幅度分別增大了7 cm和6 cm.隨著波高增大，浮標(biāo)縱搖幅度也增大，其中左側(cè)示蹤點表現(xiàn)更為劇烈，增大了4.4 cm，而右側(cè)示蹤點為3.0 cm，但波高為22 cm時左側(cè)示蹤點甚至出現(xiàn)減小.

圖6(a)、(b)分別為左、右側(cè)示蹤點在固定波高18 cm，周期分別為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 s的5種條件下的運動軌跡.取水面靜止時兩示蹤點位置的中點為坐標(biāo)原點，隨著波浪周期增大，左、右兩側(cè)示蹤點運動軌跡的右端先向X軸正方向偏移，在周期2.2 s時迅速向X軸負(fù)方向偏移，運動軌跡的左端則幾乎保持不變，運動軌跡在Y軸正負(fù)方向均有明顯偏移.浮標(biāo)的運動軌跡呈近似的橢圓形，隨著波浪周期增大，在B錨繩系縛點的作用下，運動軌跡先向右偏移后向左偏移，軌跡也由原來的“扁平”向“狹長”轉(zhuǎn)變.

(a) 左側(cè)示蹤點運動軌跡

(b) 右側(cè)示蹤點運動軌跡

圖6 示蹤點運動軌跡(工況2)

Fig.6 Tracing point trajectory (Case 2)

表2給出了浮標(biāo)模型示蹤點運動軌跡隨波浪周期變化的特征值.由表2可見，隨著波浪周期增大，總體上運動軌跡包含的面積在不斷增大，反映了浮標(biāo)運動逐漸加強(qiáng).其中，左側(cè)示蹤點運動軌跡面積并非持續(xù)增大，在周期為2.4 s時出現(xiàn)減小，右側(cè)則表現(xiàn)為持續(xù)增大，并且左側(cè)示蹤點運動軌跡面積始終大于右側(cè).關(guān)于橫搖幅度，兩側(cè)示蹤點變化規(guī)律相近，均只在周期為1.8 s時增大，其后都在減小.右側(cè)的橫搖幅度整體大于左側(cè)，且右側(cè)橫搖幅度最大差值約為7.3 cm，左側(cè)橫搖幅度最大差值約為7.0 cm.關(guān)于縱搖幅度，左、右兩側(cè)示蹤點變化趨勢幾乎一致，隨著波浪周期增大都大梯度增大，其中左側(cè)示蹤點的縱搖幅度大于右側(cè).數(shù)值上，左、右兩側(cè)的縱搖幅度均增大約20 cm.

表2 示蹤點運動軌跡的特征值(工況2)

2.2 浮標(biāo)搖擺角度分析

圖7(a)為工況1中5個波高下浮標(biāo)模型水平方向搖擺角度統(tǒng)計，以垂直向上方向為0°，水平向左為正，水平向右為負(fù).統(tǒng)計圖7(a)中每個波高對應(yīng)的搖擺角度峰值和谷值，求平均值得到圖7(b).如圖所示，在固定周期2.0 s下，當(dāng)波高增大到26 cm，其對應(yīng)的搖擺角度比波高為10 cm時在正方向增大了約2.6°，在負(fù)方向增大了約2.2°.10～22 cm波高搖擺角度峰值近似在同一條水平線上，14～26 cm波高搖擺角度谷值近似在同一條水平線上，隨著波高增大，浮標(biāo)搖擺角度沒有明顯變化，說明浮標(biāo)在波浪中的穩(wěn)定性極好.

(a) 搖擺角度隨時間的變化

(b) 搖擺角度峰值和谷值隨波高的變化

圖7 搖擺角度的變化(工況1)

Fig.7 Changes of swing angle (Case 1)

圖8(a)為工況2中5個周期下浮標(biāo)模型水平方向搖擺角度統(tǒng)計.如圖所示，在波高恒定18 cm下，隨著周期增大，浮標(biāo)搖擺角度整體變化不明顯，并且各周期下浮標(biāo)搖擺角度峰值和谷值差值幾乎保持不變，最大約為10°，表明在錨繩的束縛作用下，浮標(biāo)在水平方向搖擺程度幾乎不變，受波浪周期影響，浮標(biāo)整體會向負(fù)方向稍稍傾斜.

2.3 錨繩拉力分析

(a) 搖擺角度隨時間的變化

(b) 搖擺角度峰值和谷值隨周期的變化

圖8 搖擺角度的變化(工況2)

Fig.8 Changes of swing angle (Case 2)

圖4(b)為A、B、C錨繩終端3個拉力傳感器同步采集的錨繩平均拉力數(shù)據(jù).A、C錨繩對稱分布，所以拉力基本同步，但由于試驗錨繩的布置和拉力傳感器測量誤差的原因，圖4(b)中A、C錨繩拉力存在較小差異，這對分析浮標(biāo)水動力特性規(guī)律并無影響.而B錨繩拉力明顯小于A、C錨繩，且B錨繩拉力出現(xiàn)第二次峰值，這與圖2中的錨泊方式有關(guān).

采用特征值分析的方法，對錨繩進(jìn)行受力分析.選取每種條件下錨繩拉力峰值的平均值作為對應(yīng)錨繩的拉力特征值.如表3為波高10 cm、周期2.0 s的特征值統(tǒng)計結(jié)果.

表3 錨繩拉力的峰值

如圖9分析波高和波浪周期對錨繩最大拉力的影響，不同的試驗條件下，A、C錨繩的最大拉力變化規(guī)律相近.如圖9(a)所示，隨著波高從10 cm增大到26 cm，拉力明顯增大，但可以看到，拉力增大的梯度在減??；B錨繩隨著波高增大拉力幾乎保持不變，不受波高影響.從錨繩拉力可以得出，柱式浮標(biāo)對波高的抵抗效果非常明顯.如圖9(b)所示，隨著周期增大，A、C錨繩拉力緩慢減小，最大差值僅為0.8 N，而B錨繩拉力逐漸減小.因此，柱式浮標(biāo)錨繩拉力受周期影響較小.

(a) 錨繩拉力隨波高的變化

(b) 錨繩拉力隨周期的變化

圖9 兩種工況下錨繩拉力的變化

Fig.9 Changes of anchor rope tension in two cases

3 討 論

本文試驗中通過改變波浪要素研究柱式浮標(biāo)的水動力特性以及三向錨繩系縛下錨繩拉力情況.浮標(biāo)的運動軌跡與波浪要素直接相關(guān)，但右側(cè)示蹤點的運動軌跡在面積、縱搖幅度等方面始終小于左側(cè)，僅橫搖幅度大于左側(cè)，這與試驗中采用的三向錨繩系縛方式有關(guān)(見圖2).由于右側(cè)示蹤點對應(yīng)的B錨繩平行于波浪傳播方向，從而浮標(biāo)模型B錨繩系縛點的豎直方向束縛較大，運動軌跡呈現(xiàn)出水平方向運動.通過對浮標(biāo)的搖擺角度分析發(fā)現(xiàn)，隨著波高增大，搖擺角度變化最大不超過3°，且左、右兩側(cè)橫搖幅度分別增大了約7 cm和6 cm，縱搖幅度分別增大了約4.4 cm和3.0 cm.波高對浮標(biāo)橫搖的影響比對浮標(biāo)縱搖影響大，結(jié)合搖擺角度僅有3°的變化，進(jìn)一步印證了柱式浮標(biāo)對波高的抵抗能力十分優(yōu)越.隨著周期增大，搖擺角度在正負(fù)方向的差值幾乎不變，也就是浮標(biāo)在水平方向的搖擺幅度幾乎不變，只是向一邊有微小的偏移.搖擺幅度上，波高為18 cm時，左、右側(cè)橫搖最大差值分別為7.0 cm和7.3 cm，左、右側(cè)縱搖均增大約20 cm.顯然，周期對浮標(biāo)縱搖的影響遠(yuǎn)大于對浮標(biāo)橫搖的影響.綜上所述，柱式浮標(biāo)對不同波高的波浪適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠保證一定的穩(wěn)定性，確保精確取得目標(biāo)水深的水樣.柱式浮標(biāo)的穩(wěn)定性對波浪周期較敏感，大周期波浪會導(dǎo)致浮標(biāo)在垂直方向上有較大幅值的升降.

定波浪周期(2.0 s)下，隨著波高增大，浮標(biāo)模型運動加強(qiáng)，錨繩拉力增大，但錨繩拉力增大的速度較緩.A、C錨繩拉力變化同步，規(guī)律相似，數(shù)值略有差異，最大差異為1.1 N.B錨繩拉力遠(yuǎn)小于A、C錨繩，而且其值大小受波高影響較小(<0.5 N).由于A、C錨繩拉力大于B錨繩拉力，導(dǎo)致圖5(a)、(b)中軌跡線左半邊運動明顯強(qiáng)于右半邊.借鑒沖量的概念，沖量I=Ft=mΔv，即動量變化量等于波浪力F與作用時間t的乘積，可以得出F=mΔv/t，在浮標(biāo)質(zhì)量不變的前提下，根據(jù)運動軌跡數(shù)據(jù)計算浮標(biāo)在采樣時間間隔內(nèi)的平均速度v，得到最大波浪力如表4所示.此最大波浪力由運動軌跡數(shù)據(jù)間接計算得到，與拉力傳感器實測的波浪力相比較，同樣得到最大波浪力受波高影響較小的規(guī)律，進(jìn)而得出迎波面錨繩(B錨繩)拉力與波浪作用下浮標(biāo)動量變化量相關(guān)，而并不能僅以波高進(jìn)行解釋.試驗中，波浪傳播方向平行于B錨繩，受試驗條件限制，并未進(jìn)一步研究波浪傳播方向?qū)﹀^繩拉力的影響，可根據(jù)現(xiàn)有的試驗結(jié)果和結(jié)論，針對實際海域中海流、波浪的運動規(guī)律調(diào)整布放浮標(biāo)和錨繩.

表4 最大波浪力隨波高的變化(工況1)

定波高(18 cm)條件下，隨著波浪周期增大，浮標(biāo)模型運動減弱，A、C錨繩拉力呈梯度緩慢減小，最大差值約0.5 N，而B錨繩拉力顯著減小，最大差值約2 N.A、C錨繩拉力變化規(guī)律相似，數(shù)值略有差異，最大差異為1.3 N.相比于工況1中B錨繩拉力幾乎不變，工況2中B錨繩拉力呈現(xiàn)完全相反的規(guī)律.針對該現(xiàn)象，從沖量角度考慮，如表5所示，通過F=mΔv/t計算得到作用在浮標(biāo)上的最大波浪力大幅持續(xù)減小，相應(yīng)拉力傳感器測得的錨繩拉力也在大幅減小.綜合兩個工況中B錨繩拉力變化，工況1中波浪周期不變，錨繩拉力變化不明顯，工況2中波浪周期變大，錨繩拉力隨之顯著減小，均可以使用動量變化量加以解釋，波浪周期對B錨繩拉力起主要作用，而并非波高.

表5 最大波浪力隨周期的變化(工況2)

4 結(jié) 論

(1)隨著波高增大，浮標(biāo)的橫搖、縱搖及搖擺角度均較小梯度增大，柱式浮標(biāo)對不同波高的波浪適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠保證一定的穩(wěn)定性，確保精確取得目標(biāo)水深的水樣.柱式浮標(biāo)的穩(wěn)定性對波浪周期較敏感，大周期波浪會導(dǎo)致浮標(biāo)在垂直方向上有較大幅值的升降.

(2)隨著波高增大，錨繩拉力增大，但錨繩拉力增大的速度較緩.隨著波浪周期增大，錨繩拉力不同程度減小.

(3)浮標(biāo)動量變化量能夠合理解釋迎波面錨繩拉力的變化，波浪周期對迎波面錨繩的拉力影響較大，而并非波高.