風浪流共同作用下的多浮體系泊性能試驗研究

高 峰，李 焱，沈文君，耿寶磊，孟祥瑋

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

隨著近年來重視深海及海洋資源的開發(fā)，相應的船舶與海洋工程的一些大型裝備設施不斷地涌現(xiàn)，海上多浮體系泊結構也相繼出現(xiàn)大量新構型，由于系泊多浮體中各個浮體之間的間距較小，從而使其周圍水動力相互作用變得十分顯著[1]。由于系泊系統(tǒng)對海上船舶間的定位和安全作業(yè)起著至關重要的作用，特別是對于多艘船舶海上過駁作業(yè)時，其船-船(ship to ship)之間的相互干擾會產(chǎn)生非常大的副作用，每個浮體對波浪的作用同時也會對其他浮體造成影響，某些局部波浪會發(fā)生放大或遮掩，浮體周圍流體的運動變得十分復雜，影響整個多浮體系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而進一步影響整個系泊結構物的安全性。針對上述問題，往往需要對多浮體系泊系統(tǒng)進行試驗研究，研究多浮體的水動力響應特性以及其在各浮體間的耦合作用，由此可對整個系泊系統(tǒng)的作業(yè)過程進行準確預測，從而為實際工程提供科學依據(jù)和指導建議。目前常見的多浮體系統(tǒng)主要有：FPSO(浮式生產(chǎn)儲卸油平臺)與穿梭游輪的原油外輸系統(tǒng)、FLNG(浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置與LNG(液化天然氣船)的外輸系統(tǒng)、海上平臺安裝系統(tǒng)、多個起重船聯(lián)合起吊作業(yè)系統(tǒng)、海上超大型浮體以及鉆井平臺系統(tǒng)和海上多船間大型構件過駁系統(tǒng)等。其多浮體系泊方式大體上可分為串聯(lián)作業(yè)、并聯(lián)作業(yè)以及串并聯(lián)組合形式。這些系統(tǒng)中，浮體間或船與船間的相對運動以及其間的纜繩、護舷和連接構件荷載是設計中考慮的重要指標。對于多浮體在波浪中的運動響應分析，國內(nèi)外的專家學者均做過相關的研究。最早關于多浮體水動力的研究始于20世紀60年代，主要基于二維的切片理論，如Ohkusu[2]1969年開展的針對兩個圓柱體的水動力計算。Chen 等[3]提出頻時域混合法，已成功用于柔性連接多浮體系統(tǒng)的分析。鄒志利等[4]給出了多點錨泊系統(tǒng)運動和受力的計算方法，建立高頻運動中錨鏈-浮筒-船運動耦合模型;沈慶、陳徐均[5]在求解多浮體系統(tǒng)波浪中運動響應時，把鉸接的多浮體系統(tǒng)作為鉸接無根數(shù)系統(tǒng)。Lewandowski和Yu 等[6-7]運用線性勢流理論研究多浮體的時域響應問題。

本文主要針對一種多船構成的海上過駁平臺系統(tǒng)進行物理模型試驗研究, 綜合考查了各船體的水動力因素以及浮體間相互作用的機理。為進一步研究這一類過駁結構系統(tǒng)的動力性能和結構強度分析提供基礎, 對工程中多浮體結構系統(tǒng)整體構型設計提供一定的參考依據(jù)。

1 系泊試驗模擬條件

1.1 試驗多浮體構型

多浮體是指由多個浮體組成的系統(tǒng)，與單浮體的概念相對，通常是針對多個浮體之間的距離較近，不能忽略其相互影響的情況。由于浮體間強烈的相互作用，與單浮體相比，多浮體的受力與運動更為復雜。實際生產(chǎn)生活中的多浮體實例很多，近年來在船舶與海洋工程領域興起的典型多浮體結構與系統(tǒng)有：FLNG 裝卸系統(tǒng)、海洋平臺上層組塊浮托安裝中的雙駁船系統(tǒng)、VLFS (超大型海上浮式結構物，Very Large Floating Structures)等[8-10]。本文所基于的試驗研究對象為一種海上多浮體過駁系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括：3.5萬t級客貨滾裝船、滾裝過駁平臺、渡船、工作艇，如圖1所示，主要用于3.5萬t級客貨滾裝船向渡船等過駁物資，旨在探索一種新型海上無碼頭作業(yè)系統(tǒng)。該多浮體系泊系統(tǒng)為單點錨泊系統(tǒng)，通過客貨滾裝船的錨系實現(xiàn)整個多浮體系統(tǒng)的錨泊定位。系統(tǒng)中相鄰浮體間均為系纜連接。

1-a 3.5萬t級客滾船 1-b 滾裝過駁平臺 1-c 渡船 1-d 工作艇

圖1 多浮體系泊系統(tǒng)構成
Fig.1 Composition of the mooring system for multi-body floating system

1.2 試驗模型布置

試驗在天科院海洋水動力綜合試驗廳進行，試驗水池主尺度45 m×40 m×1.2 m，水池配置L型造波機、可逆泵式循環(huán)造流系統(tǒng)和矩陣風機組，模型整體布置如圖2所示。

圖2 多浮體系泊模型的兩種布置圖(船艏頂流與順流) Fig.2 Two kinds of layout of multi-body floating mooring system (upstream and downstream)

根據(jù)幾何相似的要求，模型比尺為 1:50，并按照駁船型線圖采用木質(zhì)材料制作各型船舶的模型。其依據(jù)的相似判據(jù)有：傅汝德數(shù)(Froude Number)、斯托哈數(shù)(Strouhal Number)等，以實現(xiàn)模型與實體兩個系統(tǒng)應該滿足幾何相似、運動相似和動力相似這3個相似條件。船模的外形尺寸滿足ITTC關于模型試驗的精度要求，幾何尺度誤差不超過1 mm，船模表面敷蓋玻璃鋼纖維等水密材料對模型接縫處進行密封，以防止船體發(fā)生滲水現(xiàn)象，內(nèi)部預留有一定空間以放置壓載物，用于調(diào)節(jié)模型重量、重心位置以及慣量等參數(shù)，模型整體重量、重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑誤差均不超過3%，保證模型與實體的質(zhì)量和質(zhì)量分布相似。

1.3 纜繩與護舷

各船型之間，除了3.5萬t級客滾船和過駁平臺間采用直徑60 mm的丙綸纜繩(破斷力416 kN)、預張力2.0 t外，其他各船型間均為直徑40 mm丙綸纜繩(破斷力197 kN)、預張力1.0 t。同樣，各船型之間的護舷除了客滾船和過駁平臺間采用D400×400×1 500型(設計力564 kN)、其他各船型間均為D300×300×1 500型(設計反力441 kN)、預張力1.0 t。

1.4 試驗方案

本次試驗考慮了不同方向的風、浪、流動力因素，分別進行了多組次的模型試驗。試驗同步測量了各個系泊浮體平臺的運動量、相對位移和撞擊力以研究不同系泊及作業(yè)條件下的多浮體運動響應情況。

2 試驗結果與分析

2.1 單船靜水試驗成果與分析

通過分析單船自由衰減曲線可以獲得單駁船與水平系泊系統(tǒng)耦合的運動固有周期和線性阻尼系數(shù)，從而驗證理論計算的結果。包括單個浮體模型的橫搖、縱搖、垂蕩衰減試驗。3.5萬t級客滾船、滾裝過駁平臺、渡船及工作艇的靜水橫搖、縱搖、升沉衰減試驗結果如下所示，可見各浮體固有周期還是存在一定差異的，由此組合后的多浮體系統(tǒng)可以避免在作業(yè)與系泊中各浮體間發(fā)生共振。各浮體相應的橫搖衰減曲線見圖3。

圖3 各船型靜水試驗橫搖衰減曲線Fig.3 Roll decay curve for hydrostatic test for all kinds of ship type in test

其中：(1)3.5萬t級客滾船相應的橫搖周期、縱搖周期和橫搖阻尼分別為12.5 s、8.2 s和0.06；(2)滾裝過駁平臺相應的橫搖周期、縱搖周期和橫搖阻尼分別為6.0 s、6.8 s和0.26；(3)渡船相應的橫搖周期、縱搖周期和橫搖阻尼分別為3.0 s、4.9 s和0.08；(4)工作艇相應的橫搖周期、縱搖周期和橫搖阻尼分別為3.8 s、4.7 s和0.05 。

2.2 風流作用下偏移預試驗

對于海中的單點系泊的浮體往往會有“風向標”效應，即在風浪流作用下會繞錨泊點漂移，由于所應用的測力儀器帶有信號線，為防止信號線對船舶運動量的不利影響，以預留出信號線的富裕長度，首先開展了風流作用下該多浮體過駁系統(tǒng)的漂移預試驗，試驗表明：

(1)頂流+順風作用時，該多浮體過駁系統(tǒng)基本無漂移；頂流+橫風(或斜風)作用時，浮體繞錨泊點產(chǎn)生漂移，頂流+橫風時的漂移大于頂流+斜風，風速越大，漂移量越大；

(2)橫風(10.0 m/s)+頂流時，浮體尾部漂移距約72.5 m(原體值)，繞錨點偏角約為14°，橫風(17.1 m/s)+頂流時，浮體尾部漂移距約112.6 m(原體值)，繞錨點偏角約20°；斜風(10.0 m/s)+頂流時，浮體尾部漂移距約28.2 m(原體值)，繞錨點偏角約5°，斜風(17.0 m/s)+頂流時，浮體尾部漂移距約45.6 m(原體值)，繞錨點偏角約8。

在此基礎上，當增加波浪動力后，浮體會產(chǎn)生進一步漂移，其漂移量與波浪條件有關，波高較小時，漂移量不大，增大波高，則漂移量增大，但當風浪流組合作用一段時間后，浮體的整體漂移量可基本維持穩(wěn)定，此時開展數(shù)據(jù)采集與分析，可排除各動力組合條件還未均勻施加時的初始大值。

2.3 風浪流作用下試驗

2.3.1 運動量

在試驗中觀察到在某些周期的波浪作用下，各相鄰浮體船舶間均出現(xiàn)了非常明顯的水體振蕩。多浮體之間由于相距較近，相鄰浮體之間存在著遮蔽效應以及波、流反射等作用的影響，因此其中某一個浮體所受到的動力響應與單浮體相比會有差異。當浮體之間間隙較小時，水動力響應在某一定波浪頻率下會出現(xiàn)很大波動，形成水動力干擾現(xiàn)象，進而還會產(chǎn)生共振效應，導致運動量劇增。整個系統(tǒng)在風浪流共同作用下，各浮體間差異較為明顯，客滾船與渡船、工作艇相比，由于其主尺度較大，因此客滾船抗風浪能力較強，在相同環(huán)境條件作用下，其運動量均比其他船舶要小。其中，在迎浪工況下，由于客滾船對滾裝過駁平臺、工作艇和渡船有一定的掩護作用，因此幾個浮體的運動量數(shù)值要小于順浪工況的結果。對于斜浪和橫浪作用下，位于過駁平臺迎浪側的渡船或工作艇的六自由度運動量要大于背浪側的浮體。

多浮體系泊系統(tǒng)在順浪或斜浪作用下，各浮體的縱蕩運動量普遍要大于橫浪作用下的結果，而橫浪作用下的橫蕩運動量和橫搖運動量數(shù)值要明顯大于順浪或斜浪作用下的結果。其中，在風速10 m/s、斜浪波高1.5 m作用下的作業(yè)工況時，3.5萬t級客滾船的縱蕩瞬間最大值為1.19 m(對應有義值達到0.7 m)、橫蕩最大為2.54 m(有義值達為1.5 m)、橫搖最大為2.73°(有義值為1.7°)。同時，過駁平臺的縱蕩最大為2.87 m(有義值達為1.7 m)、橫蕩最大為5.36 m(有義值達為3.2 m)、橫搖最大為9.57°(有義值為6.1°)，其運動量均大于客滾船。另外，由于工作艇及渡船尺寸相對更小，抗浪性更加弱，試驗中船體運動劇烈幅值更加明顯，其中工作艇的縱蕩瞬間最大值可達9.68 m(有義值為6.1 m)、橫蕩最大為22.88 m(有義值為13.1 m)、橫搖最大為24.66°(有義值為14.9°)。渡船縱蕩瞬間最大值可達9.12 m(有義值為5.1 m)、橫蕩最大為21.67 m(有義值為11.7 m)、橫搖最大為23.26°(有義值為13.5°)。同時，由于渡船以及工作艇的干舷較低，波高大于1.0 m后的所有工況均出現(xiàn)明顯的甲板上浪情況、且淹沒范圍較大。當風速增至17 m/s、斜浪波高為2.5 m下的生存條件時，只有客滾船與過駁平臺連接。此時，客滾船縱蕩對應有義值達到1.2 m、橫蕩有義值為2.16 m、橫搖有義值為2.6°。過駁平臺縱蕩運動量的有義值為2.86 m，橫蕩運動量的有義值為4.01 m，橫搖運動量的有義值為9.29°，也同樣要大于客滾船。

另外，為了探明各浮體間的相對運動情況，還施測了各浮體間相對位移，以為浮體間系泊作業(yè)條件有更為直觀的預測結果，表1為各浮體間在作業(yè)工況下的最大相對位移統(tǒng)計值。其中，采用旁靠系泊方式的過駁平臺與工作艇之間相對位移最大，過駁平臺與艉部連接的渡船相對位移最小、旁靠側向系泊的渡船則略大一點。同樣，此時也進行了風浪條件更為惡劣的生存工況(風速增至17 m/s，波高Hs增至2.0 m)，此時渡船與工作艇均離泊，只有客滾船與過駁平臺保持系泊鏈接，其橫向相對位移最大值達到3.4 m、縱向最大值達3.0 m、垂向最大值超過8.0 m。

表1 作業(yè)工況下各個浮體之間最大相對位移統(tǒng)計值Tab.1 Statistic results for the maximum relative displacement between different floating body under the operation condition m

2.3.2 系纜力

由于多浮體系統(tǒng)中各船型尺度差異，其相鄰系泊受風浪流作用下的運動量差異較大，各浮體間差異較為明顯，因此構成不同浮體的船型受力極不均勻。試驗中，對于斜浪和橫浪作用，當旁靠側面的渡船或工作艇位于過駁平臺的背浪側時，受過駁平臺的掩護影響，此時的系纜力要明顯小于側渡船或工作艇位于過駁平臺的迎浪側。試驗中，客滾船與過駁平臺采用Φ60 mm的丙綸纜系泊連接，當波高小于等于1.5 m時，最大纜力為397 kN，小于纜繩的破斷力；當波高增大為2.0 m和2.5 m時，最大纜力分別為550 kN和704 kN，均大于纜繩的破斷力；過駁平臺與渡船采用直徑40 mm的丙綸纜，順浪作業(yè)波高1.5 m條件下，最大系纜力為127kN，小于纜繩的破斷力，斜浪和橫浪作用下，當波高達到1.5 m時，最大系纜力分別為202 kN和304 kN，大于纜繩的破斷力。過駁平臺與渡船間采用Φ40 mm丙綸纜連接，順浪和斜浪作業(yè)波高條件下，最大系纜力分別為191 kN和183 kN，小于纜繩的破斷力，橫浪作用下，當波高達到1.5 m時，最大系纜力為239 kN，大于纜繩的破斷力。過駁平臺與工作艇間也采用直徑40 mm丙綸纜，3個浪向波高小于等于1.0 m條件下，最大系纜力為195 kN，小于纜繩的破斷力，三個浪向(順浪、斜浪和橫浪)波高為1.5 m時，最大系纜力分別為243 kN、244 kN和355 kN，均大于纜繩的破斷力。同時，整體系統(tǒng)中最大船型3.5萬t級客滾船采用Φ60 mm錨鏈單點系泊于海中，波高小于等于1.5 m條件下，最大錨鏈力為2 398 kN，小于錨鏈的破斷力，當波高為2.0 m時，斜向浪與順浪時最大錨鏈力為2 590 kN，仍小于錨鏈的破斷力，但在橫浪波高2.0 m作用下的最大錨鏈力大于錨鏈的破斷力；當波高加大至2.5 m時，最大錨鏈力將大于錨鏈的破斷力，最大單點錨鏈力達到3 196 kN。表2為各浮體間系纜力最大統(tǒng)計結果。

表2 作業(yè)條件下各浮體之間最大系纜力統(tǒng)計值

3 結語

多浮體系統(tǒng)的水動力響應是目前國內(nèi)外海洋工程領域研究的一個熱點問題，隨著理論分析和模擬試驗技術的日趨成熟與完善，多浮體的研究近年來也得到了快速發(fā)展。本次研究依托基于海上常見運輸船舶組成的海上多浮體滾裝過駁作業(yè)系統(tǒng)，開展了風浪流共同作用下的水動力特性物理模型試驗研究。結果表明，整個系統(tǒng)將繞錨泊點漂移，并在達到一定平衡位置時隨水動力條件呈現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，其漂移方向與強度與風浪流的矢量作用結果有關。多浮體之間由于相距較近，相鄰浮體之間存在著遮蔽效應以及波、流反射等作用的影響，其所受到的動力響應與以往研究船系泊相比存在差異。當浮體間隙較小時，水動力響應易形成干擾現(xiàn)象，進而還會產(chǎn)生共振效應，導致運動量和受力劇增。同時，各浮體間由于尺度差異，抗風浪能力也差異較大，在相同環(huán)境條件作用下，尺寸相對較大的客滾船和過駁平臺的運動量相對較小，僅在生存工況時纜力有超過破斷力情況，而尺度較小的渡船與工作艇運動量較大，其系泊纜力也更易出現(xiàn)超過破斷力的情況。在試驗中某些浪向下，尺度相對較大的客滾船還可對其背浪側的過駁平臺、工作艇和渡船有一定的掩護作用，使得運動量數(shù)值要比迎浪一側明顯小些。在各浮體相對位移結果中，旁靠系泊的過駁平臺與工作艇間相對位移最大，過駁平臺與艉部連接的渡船相對位移最小、旁靠系泊的渡船則略大。

模型試驗結果為該型多浮體作業(yè)系統(tǒng)的設計與應用提供了科學依據(jù)與技術積累，并為多浮體水動力問題的深入研究提供參考。在實際的多浮體系泊結構的裝卸作業(yè)中，各船間連接方式將非常復雜，形式也是多種多樣，而且還將根據(jù)實際海況有調(diào)整，今后對于更優(yōu)化的連接方式以及更加細致的模擬都需要作進一步考慮，還有許多深入的工作值得開展。

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