新型超大型浮式海上基地消浪室方案試驗(yàn)研究

寇雨豐，肖龍飛，劉建輝，楊立軍

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津300451；3.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

新型超大型浮式海上基地消浪室方案試驗(yàn)研究

寇雨豐1，3，肖龍飛1，3，劉建輝2，楊立軍1，3

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津300451；3.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

新型超大型浮式海上基地（VLFOB）設(shè)計(jì)采用了由兩層直立開孔式消浪墻組成的消浪室結(jié)構(gòu)。根據(jù)內(nèi)、外消浪墻開孔率的不同，提出6組消浪室方案。通過模型試驗(yàn)研究，對(duì)比分析不同消浪室方案下的消波效率和VLFOB水動(dòng)力性能，結(jié)果表明：一般地，消浪室開孔率越小，消波效率越高，VLFOB的縱蕩幅值和系泊力越大，單體間連接載荷相對(duì)較大；相同消浪室方案下，入射波能級(jí)提高使得消波效率降低；采用內(nèi)外開孔率分別為0.16和0.24的消浪室方案，不僅消波效率較高，而且單體間的連接載荷也較小。

超大型浮式結(jié)構(gòu)物；海上基地；消浪室；模型試驗(yàn)

0 引 言

我國南海深水海域資源豐富，但遠(yuǎn)離大陸，環(huán)境惡劣。研制新型深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地（VL-FOB），將有助于解決物資儲(chǔ)存、后勤補(bǔ)給、工程船避風(fēng)靠泊、人員設(shè)備安全保障等諸多困難。

在超大型浮式結(jié)構(gòu)物（VLFS）的研究和設(shè)計(jì)中，消波結(jié)構(gòu)因能降低VLFS的水彈性響應(yīng)、提高VLFS的環(huán)境適應(yīng)性而受到重視[1]。日本提出的箱型VLFS（Megafloat）在應(yīng)用于環(huán)境較惡劣的海域時(shí)須設(shè)置消波堤[2]；新加坡JTC公司所提出的海上浮式儲(chǔ)油設(shè)備方案周圍也設(shè)置了浮式箱型消波堤[3]。這些消波結(jié)構(gòu)都設(shè)置在VLFS的外圍，起到降低透射波浪能量的作用。

新型VLFOB為環(huán)形結(jié)構(gòu)，為了降低內(nèi)部的波浪能量、實(shí)現(xiàn)供工程船避風(fēng)靠泊的港灣功能，采用了安裝于VLFOB上的特殊消浪室結(jié)構(gòu)，其由兩層環(huán)形直立開孔式消浪墻組成[4-6]。從Jarlan[7]于1961年創(chuàng)新性地提出了開孔沉箱式消浪墻，這類直立開孔式消浪結(jié)構(gòu)被廣泛研究。Wang[8]研究證實(shí)：固定的雙層直立開孔板及其間水體能有效降低波浪的反射和透射，對(duì)于給定頻率的入射波，通過調(diào)整板間距可同時(shí)有效降低反射和透射能量。汪宏等[9]研究認(rèn)為固定的雙層直立開孔板結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)與波陡、板間距、水深和開孔率有關(guān)，對(duì)于同一周期和波高，透射系數(shù)隨著開孔率的增大而增大。朱大同[10]對(duì)影響雙層開孔板沉箱防波堤的反射系數(shù)的諸多因子進(jìn)行了研究，其中一個(gè)重要結(jié)論是前板開孔率小于后板時(shí)雙層開孔板沉箱不能有效改善消波效果，其作用幾乎與單層開孔板沉箱相同。對(duì)于柔性直立開孔板，其消波性能還與結(jié)構(gòu)剛度有著重要關(guān)系[11]?；诜啦ǖ虅傂源怪北”?、空間固定、有限水深的假定，程建生等[12]對(duì)圓弧型浮式多孔介質(zhì)防波堤波浪繞射問題進(jìn)行的解析研究表明：該防波堤的防浪效果與入射波波長、防波堤的垂向深度和孔隙率、掩護(hù)區(qū)域的位置密切相關(guān)；其中，孔隙率越大、防浪效果越差。Huang等[13]研究發(fā)現(xiàn)在浮式箱型消波堤的底部安裝豎直開孔板能有效降低透射波浪的能量，對(duì)于長周期入射波更為顯著。盡管在海岸工程領(lǐng)域有大量的應(yīng)用和研究，但對(duì)于帶有消浪功能的浮式海洋平臺(tái)及VLFS卻少有報(bào)道。

作為VLFOB的重要組成部分，消浪室結(jié)構(gòu)不僅發(fā)揮消波作用以降低VLFOB內(nèi)部水域波高，同時(shí)也會(huì)對(duì)VLFOB的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷產(chǎn)生很大影響。針對(duì)消浪室的設(shè)計(jì)和選型問題，本文借鑒前述研究成果，設(shè)計(jì)提出采用不同開孔率組合的6組消浪室方案，通過水池模型試驗(yàn)，對(duì)比研究各組消浪室的消波性能，及其對(duì)VLFOB運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊載荷和連接載荷的影響，并分析推薦目標(biāo)消浪室方案。

1 消浪室方案

新型VLFOB是由8座相同的新型單體模塊相互連接而形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，外圍直徑達(dá)到400 m，型深為185 m，設(shè)計(jì)吃水為150 m，不僅能儲(chǔ)存大量的物資、安置大量的人員，而且對(duì)惡劣環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，見圖1。其單體模塊由上、下水平箱體結(jié)構(gòu)和立柱連接而成，立柱內(nèi)、外側(cè)分別設(shè)置內(nèi)、外消浪墻，組成消浪室結(jié)構(gòu)，以減小VLFOB內(nèi)部水域波浪能級(jí)，為工程船在VLFOB內(nèi)部的靠泊創(chuàng)造條件，見圖2。

圖1 新型超大型浮式海上基地Fig.1 New concept VLFOB

圖2 單體模塊Fig.2 Single module

對(duì)于開孔式消波結(jié)構(gòu)，開孔率是影響其消波效率的一個(gè)重要因素。單體模塊的內(nèi)、外消浪墻均采用矩形開孔，開孔率μ的定義為：

其中：S1為無孔面積，S2為孔洞面積，如圖3所示。

單體內(nèi)消浪墻弧長135.52 m，外消浪墻弧長151.37 m，兩者高度均為85 m，水中高度均為60 m，間距為24 m。設(shè)計(jì)了開孔率分別為0.24、0.20、0.16的3種內(nèi)、外消浪墻，孔隙主要參數(shù)見表1，其中Lo為孔隙長度、Ho為孔隙高度、Ro為孔隙導(dǎo)角半徑。根據(jù)外消浪墻的開孔率不小于內(nèi)消浪墻的原則，可以組合成6組消浪室方案，內(nèi)、外消浪墻開孔率分別為：（Ⅰ）0.16、0.16，（Ⅱ） 0.16、0.20，（Ⅲ） 0.16、0.24，（Ⅳ）0.20、0.20，（Ⅴ）0.20、0.24，（Ⅵ）0.24、0.24。

消浪室在發(fā)揮消波作用的同時(shí)，也會(huì)由于對(duì)波浪的阻擋而增大VLFOB的系泊載荷和連接載荷。因此需要在綜合分析消波性能和VLFOB的各項(xiàng)載荷的基礎(chǔ)上，選取最優(yōu)的消浪室方案。

圖3 開孔示意圖Fig.3 Sketch of openings

表1 孔隙主要參數(shù)Tab.1 Parameters of different openings

表2 消浪室性能試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)Tab.2 Environmental parameters for model test

2 消浪室方案性能試驗(yàn)

對(duì)消浪室性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算難度較大，因此通過模型試驗(yàn)的方法對(duì)各消浪室方案進(jìn)行性能研究。綜合考慮各因素，試驗(yàn)采取縮尺比為：λ=80。不規(guī)則波試驗(yàn)分別在南海一年一遇波浪、百年一遇波浪的環(huán)境中進(jìn)行，不規(guī)則波采用JONSWAP譜，參數(shù)見表2，其中Hs為有義波高、Tp為譜峰周期，γ為譜峰因子。

試驗(yàn)水深為5 m，采用水平系泊方式約束VLFOB模型，由4根水平柔軟系泊纜（#1～#4）組成，如圖4所示。圖中，VLFOB的外側(cè)A點(diǎn)和E點(diǎn)、內(nèi)側(cè)B點(diǎn)和D點(diǎn)布置浪高儀，測量相對(duì)波高及內(nèi)外波高變化情況；中心處C點(diǎn)布置浪高儀，測量VLFOB內(nèi)部水域波高。

在圖4中坐標(biāo)系第四象限內(nèi)的模塊間3個(gè)連接面，上、下箱體之間各安裝2個(gè)三分力儀，共計(jì)12個(gè)三分力儀作為模塊間固定連接器，并測量連接載荷。每個(gè)連接面上三分力的安裝方法及方向定義見圖5，其中Xf為水平剪切力，Yf為垂向剪切力，Zf為軸向連接力。VLFOB的其他連接面也采用固定連接。

圖4 水平系泊系統(tǒng)和波高測量點(diǎn)Fig.4 Horizontal mooring system and locations of wave probes

圖5 三分力安裝及方向定義Fig.5 Arrangement and coordinates of dynamometers

對(duì)不同消浪室方案進(jìn)行的性能試驗(yàn)工況見表3所示，共13個(gè)工況。其中，μi、μo分別為內(nèi)、外消浪墻的開孔率。試驗(yàn)中，測量A～E點(diǎn)波高，VLFOB的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、水平系泊力和連接力。

表3 消浪室方案性能試驗(yàn)工況Tab.3 Model test cases

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固有周期和阻尼系數(shù)

選取方案（Ⅲ），在安裝及不安裝消浪室情況下，通過靜水衰減試驗(yàn)，分析得到單體模塊的垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期T3、T4、T5，以及無因次阻尼系數(shù)C3、C4、C5，如表4所示。單體模塊的坐標(biāo)系定義如圖6所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

表4 單體模塊的固有周期和阻尼系數(shù)Tab.4 Natural periods and damping coefficients of the single module

圖6 單體模塊的坐標(biāo)系Fig.6 Coordinates of single module

消浪室的有無對(duì)單體模塊的垂蕩周期和阻尼系數(shù)影響甚微；安裝消浪室的單體模塊的縱搖周期比不安裝時(shí)增大了18.07 s，這說明附加慣性矩大大增加，縱搖阻尼系數(shù)由0.035顯著增大到0.12，這導(dǎo)致單體模塊縱搖衰減更快，見圖7，其中，β表示縱搖，t表示時(shí)間；安裝消浪室的單體模塊的橫搖周期和阻尼系數(shù)比不安裝時(shí)略微增大。

消浪室的投影面積是影響結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)的重要因素。對(duì)于單體模塊，消浪室在X方向投影最大，因此消浪室對(duì)單體模塊的縱蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)影響較大。據(jù)此，對(duì)于VLFOB，消浪室的采用將增大其縱蕩、橫蕩、縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)模態(tài)的阻尼和附加質(zhì)量，使得運(yùn)動(dòng)衰減加快、固有周期增大。

3.2 消波性能分析

為了更直觀地反映VLFOB內(nèi)部波高降低的情況，用消波效率來評(píng)價(jià)消浪室的消波性能。定義：

圖7 靜水中縱搖衰減曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of pitch decay in clam water

其中：f為消波效率，H為無結(jié)構(gòu)物影響的入射波有義波高，HC為VLFOB內(nèi)部C點(diǎn)的有義波高。根據(jù)此定義，f越大，內(nèi)部波高越小，消浪室的消波性能越好。

A～E點(diǎn)的有義波高（記為HA～HE）和消波效率見表5，其中有義波高為時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果?？梢姡?/p>

（1）對(duì)于同一消浪室，隨著有義波高及譜峰周期的增大，消波效率降低。

（2）對(duì)于一年一遇波浪，消浪室方案Ⅰ消波效率較好，方案Ⅱ、Ⅲ次之，方案V、VI較差；對(duì)于百年一遇波浪，消浪室方案Ⅰ消波效率較好，方案III次之，方案VI較差，如圖7所示。綜合考慮，消浪室方案Ⅰ和方案Ⅲ的消波效率較高。

（3）VLFOB內(nèi)部B點(diǎn)和D點(diǎn)的波高基本一致，側(cè)面E點(diǎn)的波高稍大于入射波。VLFOB前沿A點(diǎn)的波高明顯大于入射波，這是因?yàn)椴ɡ吮籚LFOB迎浪面消浪墻阻擋而爬高，當(dāng)波浪較大時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)甲板上浪的情況。這不僅起到破波作用，也會(huì)增大VLFOB的波浪載荷。

（4）在百年一遇波浪作用下，去掉VLFOB尾部兩個(gè)單體上的消浪墻后，內(nèi)部水域的有義波高由10.04 m下降到8.86 m，可見尾部消浪墻的反射對(duì)降低內(nèi)部水域波高起到了消極作用。

表5 A～E點(diǎn)的有義波高及消波效率Tab.5 Significant wave height at points A～E and wave-breaking efficiency

對(duì)于方案Ⅲ，VLFOB內(nèi)部C點(diǎn)的波浪的能量譜與入射波能量譜的對(duì)比如圖8所示，其中，S表示能量譜密度，ω表示圓頻率?？梢姡?/p>

VLFOB內(nèi)部的波浪能量大大降低，特別是譜峰頻率附近降低明顯。對(duì)于一年一遇波浪，VLFOB內(nèi)部波浪能量集中在0.40 rad/s至0.65 rad/s的頻率范圍內(nèi)；對(duì)于百年一遇波浪，VLFOB內(nèi)部波浪能量集中在0.30 rad/s至0.50 rad/s的頻率范圍內(nèi)。

圖8 不同消浪室方案消波效率比較Fig.8 Comparison of wave-breaking efficiency

3.3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊載荷及連接載荷分析

VLFOB的縱蕩響應(yīng)最為顯著，其他模態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都較小。縱蕩的最大幅值（以Xmax表示）如圖10所示，最大水平系泊力（以Tmax表示）如圖11所示，單體模塊間12個(gè)連接器的水平剪切力、垂向剪切力和軸向連接力的最大值（分別以FXmax、FYmax和FZmax表示）如圖12所示?？梢姡?/p>

圖9 VLFOB內(nèi)部波浪譜與入射波浪譜比較（左：一年一遇；右：百年一遇）Fig.9 Comparison of power spectrums between the incident wave and the wave inside VLFOB (Left:1-year wave,Right:100-year wave)

圖10 縱蕩最大值比較Fig.10 Comparison of maximum surge

圖11 最大系泊力比較Fig.11 Comparison of maximum mooring force

圖12 連接器各向最大受力比較（左：水平剪切力；中：垂向剪切力；右：軸向連接力）Fig.12 Comparison of maximum connecting loads(Left:horizontal shear force,Middle:vertical shear force, Right:axial tension)

（1）采用方案Ⅰ～Ⅳ時(shí)，VLFOB的縱蕩較大，系泊力也較大。基本上，消浪室消波性能越強(qiáng)，VLFOB縱蕩響應(yīng)和系泊力就越大。對(duì)于方案Ⅰ和方案Ⅲ這兩種消浪性能較好的消浪室，在一年一遇、百年一遇波浪下，采用后者時(shí)，VLFOB的縱蕩最大幅值比采用前者時(shí)分別減小3.2 m、4.0 m，最大系泊力相差不大。

（2）連接器的三個(gè)分力中，以軸向連接力最大，水平剪切力次之，垂向剪切力最小。對(duì)于軸向連接力和水平剪切力，采用方案Ⅰ時(shí)最大、方案Ⅱ次之，其他方案相對(duì)較??；對(duì)于垂向剪切力，采用方案Ⅰ～Ⅳ時(shí)相對(duì)較大，其余兩個(gè)方案相對(duì)較小。

（3）對(duì)于方案Ⅰ和方案Ⅲ這兩種消浪性能較好的消浪室，在一年一遇波浪、百年一遇波浪下，采用后者時(shí)，VLFOB的連接器軸向力最大分別為107.49 kN、513.38 kN，比采用前者時(shí)分別少了90.36 kN、197.39 kN。可見，采用方案Ⅲ時(shí)，VLFOB的連接器軸向力明顯小于采用方案Ⅰ。另外，采用方案Ⅲ時(shí)，VLFOB的連接器水平剪切力明顯小于采用方案Ⅰ，但其連接器垂向剪切力與采用方案Ⅰ時(shí)相當(dāng)。

4 結(jié) 語

（1）提出不同開孔率組合的消浪室方案，通過系列模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：基本上，開孔率越小，消波性能越好，VLFOB的縱蕩響應(yīng)和系泊力越大，單體模塊間的連接載荷相對(duì)較大；隨著入射波能級(jí)提高，消浪室的消波性能降低。

（2）采用內(nèi)外開孔率分別為0.16和0.24的消浪室方案（即方案Ⅲ），不但具有較高的消波效率，入射波譜峰頻率附近波浪能量明顯降低，而且VLFOB的連接載荷也較小。

（3）采用消浪室時(shí)，VLFOB縱蕩、橫蕩、縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)模態(tài)的阻尼和附加質(zhì)量增大，使得這幾個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)衰減更快，固有周期更大。

（4）VLFOB消浪室迎浪面波浪爬高明顯，容易產(chǎn)生甲板上浪；內(nèi)側(cè)水域波高基本一致。

在大型浮式結(jié)構(gòu)物上采用直立開孔式消浪墻結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外甚少見到有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。相關(guān)理論分析和數(shù)值計(jì)算方法，以及其他設(shè)計(jì)參數(shù)如高度、浸深、內(nèi)外消浪墻間距等的影響，尚需進(jìn)一步研究。

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Experimental research on the wave-breaking chambers of Very Large Floating Offshore Base

KOU Yu-feng1,3,XIAO Long-fei1,3,LIU Jian-hui2,YANG Li-jun1,3
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China;3.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China)

Wave-breaking chamber,composed of inner and outer wave-breakers which are vertical and porous plates,is applied in the design of Very Large Floating Offshore Base(VLFOB).By using different inner and outer opening ratios,six wave-breaking chambers are proposed.Through experimental studies,the wave-breaking efficiency and the hydrodynamic performance of the VLFOB are compared and analyzed. The results show that the wave-breaking efficiency will be higher by utilizing the chamber with lower opening ratio.At the same time,the surge motion,the mooring force and the connector load of the VLFOB will be larger.For the same chamber,the wave-breaking efficiency decreases with the increase of the incident wave energy.Among the six chambers,the best one is selected due to the relatively high wave-breaking efficiency and low connector loads.

Very Large Floating Structure(VLFS);offshore base;wave-breaking chamber;model test

P75

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.006

1007-7294（2016）07-0833-08

2015-12-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008AA09A107）；海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年創(chuàng)新基金課題

寇雨豐（1986-），男，工程師，E-mail：Kouyufeng@sjtu.edu.cn；肖龍飛（1972-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，E-mail：xiaolf@sjtu.edu.cn。