小型海洋資料浮標(biāo)穩(wěn)定性對浮標(biāo)作業(yè)的影響研究

丁圓強， 張小磊， 齊 亮， 姜 濤， 姚抒均， 鄭 凱

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心， 山東 青島 266001）

引言

海洋資料浮標(biāo)是海洋水文氣象資料監(jiān)測的重要手段之一，而小型海洋資料浮標(biāo)（3 m直徑圓盤型）造價低、觀測能力強、回收布放難度較低，為我國的重要海洋觀測手段之一[1]。

浮標(biāo)穩(wěn)定性為浮標(biāo)生存能力的重要指標(biāo)，而3 m小型海洋資料浮標(biāo)因直徑小穩(wěn)性最差，作業(yè)難度較高，作業(yè)人員只可進行較短時間的作業(yè)，安全性較差例如圖1-1所示海況較好在位正常運行的3 m小型海洋資料浮標(biāo)，在0～0.5 m的有效波高下，其橫搖傾斜角度較小，適于進行海上維修作業(yè)。如圖1-2所示的海況相對惡劣在位正常運行的3 m小型海洋資料浮標(biāo)，在有效波高大于0.8 m的情況下，其橫搖角度較大，不適于進行海上維修作業(yè)。

圖1 不同海況條件下3 m浮標(biāo)搖擺狀態(tài)實物圖

浮標(biāo)的穩(wěn)定性取決于其重心位置的設(shè)計、壓載的大小以及慣性矩的設(shè)計值。本文以穩(wěn)性較差的3 m小型海洋資料浮標(biāo)為例，通過數(shù)值模擬的手段對不同海況（波高、周期為主要參數(shù)）下不同重心位置、不同慣性矩的浮標(biāo)多自由度運動情況進行計算分析，利用計算結(jié)果優(yōu)化原有浮標(biāo)的設(shè)計參數(shù)，為海洋資料浮標(biāo)的海上維護作業(yè)提供保障。

1 數(shù)值模擬試驗驗證

本文采用的數(shù)值模擬計算方法基于不可壓縮流體的勢流理論，且計算時浮體直徑與入射波波高相比尺度較小，通過水工物理模型試驗驗證數(shù)值計算方法的可行性，進而進行后續(xù)優(yōu)化計算[3]。

在拖曳水池中放入3 m浮標(biāo)的水工物理模型，如圖2所示，在綜合考慮水深、波高、試驗范圍等條件后，本次試驗縮尺比采用，λ=1∶4。

圖2 3 m浮標(biāo)水工物理模型試驗

浮標(biāo)的運動幅值響應(yīng)算子RAO（ResponseAmplitude Operator）部分的試驗環(huán)境條件是波高一定，波長0.5～6 m的規(guī)則波，在試驗中測量的浮標(biāo)的橫搖角物理量。從而計算確定浮標(biāo)的運動幅值響應(yīng)算子。

試驗時，在浮標(biāo)上安裝陀螺儀器并固定在適當(dāng)位置。浮標(biāo)兩端在重心高度位置系上兩根細繩，對浮標(biāo)大尺度運動進行約束，但不會影響其自由運動的狀態(tài)。待模型按規(guī)定的要求布置、且各測量儀器安裝到位后，啟動造波機產(chǎn)生所需的波浪，待波浪穩(wěn)定后，正式開始進行各項數(shù)據(jù)的采集。

同時建立與水工物理模型試驗比尺1∶1的數(shù)值模型，如下頁圖3所示，在相同實驗環(huán)境條件下計算，通過頻域響應(yīng)函數(shù)計算浮標(biāo)橫搖響應(yīng)曲線，將水工物理模型試驗采集的數(shù)據(jù)與數(shù)值模型的計算結(jié)果進行比較。浮標(biāo)的搖擺響應(yīng)曲線擬合效果較好，在該數(shù)值模型的各項參數(shù)計算條件得到的數(shù)值符合浮標(biāo)實際情況。

圖3 水工物理模型浮標(biāo)的三維數(shù)值模型及計算結(jié)果

2 數(shù)值計算模型及計算結(jié)果

在ANSYS-AQWA中建立3 m浮標(biāo)和10 m浮標(biāo)1∶1的數(shù)值計算模型，如圖4所示，計算單點懸垂錨鏈系泊作用下浮標(biāo)在不同波高周期作用下的運動響應(yīng)情況[2]，通過分析不同重心位置、不同慣性矩的參數(shù)下3 m小型浮標(biāo)的橫搖角度，優(yōu)化確定浮標(biāo)海上維修作業(yè)的最適合重心和慣性矩[3]。

圖4 3 m直徑海洋資料浮標(biāo)三維數(shù)值模型

計算結(jié)果如圖5所示，圖5-1，5-2為原重心，原慣性矩的在P1、P2、P3、P4工況下的計算結(jié)果，取運動較為穩(wěn)定的一個周期內(nèi)40個點次的橫搖位移響應(yīng)進行比較?？梢钥闯鲋芷谠叫∑鋼u擺幅度越大，波高越大其搖擺幅度也越大，如表1所示。

在設(shè)計安全范圍內(nèi)將浮標(biāo)重心下移，浮標(biāo)慣性矩縮小后進行重新計算得到圖5-3，5-4，同樣取運動較為穩(wěn)定的一個周期內(nèi)40個點次的橫搖位移響應(yīng)進行比較，運動規(guī)律相同。

取浮標(biāo)運動較為劇烈的P3工況（0.75 m波高、4 s周期），縱向比較浮標(biāo)重心及慣性矩參數(shù)調(diào)整前后的浮標(biāo)橫搖運動情況，可以得知降低了重心，減小了浮標(biāo)慣性矩在P3工況下整體搖擺角度減小了近1°，如圖6所示。

繼續(xù)降低浮標(biāo)的重心并且減小浮標(biāo)的慣性矩，根據(jù)計算結(jié)果可知，重心降低的同時減少了浮標(biāo)運動的固有周期，導(dǎo)致在小周期的情況下，波周期的頻率極易達到浮標(biāo)的共振頻率，使浮標(biāo)運動情況加劇，且浮標(biāo)安全性降低。因此在一個合理范圍內(nèi)調(diào)整浮標(biāo)重心以及慣性矩可有效減少浮標(biāo)的橫搖運動角度，增強浮標(biāo)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

圖5 浮標(biāo)單個周期內(nèi)浮標(biāo)橫搖角度時域曲線

表1 浮標(biāo)正常工作海況計算表

圖6 P3工況下不同重心、慣性矩的浮標(biāo)橫搖角度時域曲線

本文通過數(shù)值模擬的手段直觀計算了現(xiàn)有已達到產(chǎn)品化標(biāo)準(zhǔn)的3 m浮標(biāo)在小波高，小周期下的橫搖運動響應(yīng)情況，結(jié)合實際海上維修情況，驗證了在當(dāng)前物理參數(shù)特性下浮標(biāo)在0.5 m波高以上存在維修難度高的情況，進而通過調(diào)整浮標(biāo)重心及慣性矩參數(shù)使浮標(biāo)在0.75 m波高以下的橫搖角度減少，并降低了3 m海洋資料浮標(biāo)的海上維修難度，因此本文的計算結(jié)果可為后續(xù)布放在易損壞區(qū)域的浮標(biāo)基礎(chǔ)設(shè)計提供了參考思路。

參考文獻

[1]王波，李民，劉世萱，等.海洋資料浮標(biāo)觀測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].儀器儀表學(xué)報，2014，35（1）：2 401-2 414.

[2]趙環(huán)宇.1 kW級小型波浪能供電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2015.

[3]范海文.基于導(dǎo)管架平臺的波能發(fā)電裝置設(shè)計與優(yōu)化[D].青島：中國海洋大學(xué)，2014.