南海極淺水下浮式平臺(tái)錨泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)對(duì)比

賈昌浩，王 磊，李 博，王永恒

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

島礁中型浮式平臺(tái)目前沒有嚴(yán)格的定義，但大家普遍接受的觀點(diǎn)是指那些可以以島嶼為依托，帶有永久性或半永久性，具有多用途的海洋工程結(jié)構(gòu)物[1]。島礁中型浮式平臺(tái)有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[2]：1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，技術(shù)成熟，對(duì)周圍環(huán)境的影響較?。?）不受海底地質(zhì)條件約束；3）穩(wěn)性好，波浪條件下結(jié)構(gòu)依然保持平穩(wěn)。

海洋工程領(lǐng)域，美國和日本對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的研究較為領(lǐng)先。關(guān)西機(jī)場(chǎng)是日本在1973 年正式提出的KIA 計(jì)劃[3]，浮動(dòng)跑道和輔助跑道是該計(jì)劃的2 個(gè)組成部分，為箱型結(jié)構(gòu)形式。美國1992 提出的海上基地“MOB——可移動(dòng)式離岸基地”計(jì)劃，整個(gè)結(jié)構(gòu)由6 個(gè)單獨(dú)的半潛浮體拼接而成[4]，但目前為止該計(jì)劃并沒有建造實(shí)物。國內(nèi)最早開始涉及大型浮體研究工作的是中船重工第702 研究所；2001 年以來，上海交通大學(xué)開始進(jìn)行水彈性方面的工作。Pinkster[5]以1 艘LNG 船淺水系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)淺水中束縛波對(duì)低頻力的影響超過1 階波浪力；Y Kim[6]對(duì)錨泊線纜的張力進(jìn)行研究，計(jì)算發(fā)現(xiàn)錨泊線的張力與平臺(tái)的六自由度狀態(tài)有關(guān)，同時(shí)考慮了海底對(duì)系泊纜的影響。

本文研究的平臺(tái)位于南海島礁附近，水深極淺、地勢(shì)復(fù)雜。為了增加復(fù)雜受力情況下錨鏈和海底的摩擦力，本文為島礁中型浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)了1 套懸鏈線式錨泊系統(tǒng)，并詳敘了平臺(tái)的模型試驗(yàn)。對(duì)比分析平臺(tái)在工作海況和生存海況下的數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果，并嘗試分析了兩者之間差異的主要原因。通過對(duì)比分析，本文驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性與可行性，并對(duì)本文所涉及的錨泊方案的各項(xiàng)技術(shù)性能進(jìn)行安全認(rèn)證，為今后新平臺(tái)和新錨泊方式的開發(fā)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7]。

1 模型試驗(yàn)方法及數(shù)值計(jì)算理論

1.1 相似理論

模型和實(shí)際平臺(tái)應(yīng)該滿足3 個(gè)相似條件，即

1）幾何相似：大小不同，形狀卻完全相似。

2）運(yùn)動(dòng)相似：模型和實(shí)體在運(yùn)動(dòng)時(shí)其對(duì)應(yīng)點(diǎn)處在任意相同時(shí)刻的同類物理量，如流體速度、加速度等都有相同的比例。

3）動(dòng)力相似：流體作用于模型和實(shí)體上的各種力，如重力、慣性力、粘性力和表面張力等互相成比例。

實(shí)踐證明，完全相似不可能，通常都是根據(jù)具體的研究對(duì)象，選擇合適的相似準(zhǔn)則，這在相似理論中稱為部分相似[8]。

1.2 模型制作與相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)

本次模型試驗(yàn)，選擇的縮尺比為36?？s尺比確定后，根據(jù)幾何相似的要求進(jìn)行模型制作，模型試驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)實(shí)體和模型的參數(shù)見表1。

模型制作完成以后，要分別對(duì)模型的重量、中心和慣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，錨泊系統(tǒng)的錨鏈長度、重量和彈性系數(shù)也要進(jìn)行相似模擬。

1.3 數(shù)值計(jì)算理論

1）坐標(biāo)系

根據(jù)是否會(huì)產(chǎn)生回復(fù)力和回復(fù)力矩，可以將浮體六自由度運(yùn)動(dòng)分為2 種。一是受到回復(fù)力和力矩作用的垂蕩、橫搖和縱搖，二是不會(huì)產(chǎn)生回復(fù)力的縱蕩、橫蕩和首搖。

表 1 島礁浮式平臺(tái)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameter of the platform

2）平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

在隨船坐標(biāo)系中, 平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)

該部分介紹了懸鏈線式錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及模型試驗(yàn)的過程：模型重心的調(diào)節(jié)、錨泊系統(tǒng)的布置、風(fēng)浪流的模擬、各種試驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試與使用以及整個(gè)系泊系統(tǒng)在風(fēng)浪流環(huán)境下的試驗(yàn)。

2.1 平臺(tái)錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮平臺(tái)所在海域的地質(zhì)地形特性、平臺(tái)的使用特點(diǎn)和作業(yè)要求，平臺(tái)的系泊方案采用懸鏈線式：8 根懸鏈?zhǔn)较挡捶桨福üぷ骱r）、12 根懸鏈?zhǔn)较挡捶桨福ㄉ婧r）。

圖 1 浮式平臺(tái)12 根懸鏈線式系泊系統(tǒng)示意圖Fig. 1 A schematic diagram of 12 catenary mooring systems for floating platform

平臺(tái)每根系泊纜繩都由系泊錨鏈加配重塊組成，以期增加錨鏈與海底之間的摩擦力，錨鏈采用鑄鐵錨鏈[11]。系泊纜主要參數(shù)如表2 所示。本浮式平臺(tái)位于南海近島礁極淺海域，主要試驗(yàn)條件為工作海況風(fēng)速10 m/s，Hs=1 m，T=4.32 s；生存海況即風(fēng)速36 m/s，Hs=3 m，T=7.48 s。模擬試驗(yàn)波浪譜使用北海聯(lián)合海浪計(jì)劃（JONSWAP）譜。

表 2 島礁浮式平臺(tái)系泊纜模型設(shè)計(jì)Tab. 2 Design of mooring cable for floating platform

2.2 模型試驗(yàn)

平臺(tái)模型正式下水之前要對(duì)模型和環(huán)境做簡單校對(duì)試驗(yàn)，依次是重量重心慣性矩調(diào)節(jié)試驗(yàn)、不規(guī)則海底模擬與布置、確定錨點(diǎn)位置安裝力傳感器、校波校風(fēng)等，模型入水如圖2 所示。

圖 2 模型入水Fig. 2 Model into the water

模型入水完成以后，要布置六自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)量儀和錨鏈以及測(cè)力傳感器等。之后，將平臺(tái)模型置于規(guī)定的平衡位置，連接上系泊系統(tǒng)所有的錨泊線及拉力傳感器。對(duì)每根錨泊線加上相同的預(yù)張力，使它們處于相同的張緊狀態(tài)和具有同等的定位功能。布置好錨鏈和傳感器之后，還要進(jìn)行以下3 個(gè)試驗(yàn)：系泊系統(tǒng)整體剛度測(cè)量、模型單自由度運(yùn)動(dòng)衰減試驗(yàn)和風(fēng)浪環(huán)境下的系泊系統(tǒng)試驗(yàn)（見圖3）。

圖 3 橫蕩衰減試驗(yàn)Fig. 3 Turbulence decay test

3 平臺(tái)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷

1）工作海況

浮式平臺(tái)水動(dòng)力計(jì)算采用商業(yè)勢(shì)流軟件計(jì)算。由于該工況中環(huán)境力的方向是270°，平臺(tái)在橫蕩、橫搖和首搖方向的運(yùn)動(dòng)比較顯著，而其在縱蕩、縱搖和垂蕩方面的運(yùn)動(dòng)相對(duì)不太明顯。本節(jié)給出平臺(tái)在橫蕩和橫搖方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷，如圖4 所示。對(duì)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則給出了平臺(tái)6 個(gè)自由度的結(jié)果，分別包括其平均值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表3 所示。

圖 4 工作海況下平臺(tái)橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線對(duì)比Fig. 4 Operation condition sway, roll time history

表 3 工作海況下系泊系統(tǒng)平臺(tái)6 自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3 Operation condition 6-DOF statistical result

由圖5 結(jié)果可知平臺(tái)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的橫蕩和橫搖結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)平臺(tái)在數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中的平均值和最大值非常接近，平均值誤差在0～7.14%。兩者的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷均顯示平臺(tái)在該工況下的定位非常穩(wěn)定。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果大體上反映了模型試驗(yàn)的結(jié)果。平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)的平均值在-1～4 m 左右，橫搖運(yùn)動(dòng)的平均值在0°左右，最大值在3°附近，其運(yùn)動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。

圖 5 生存海況下平臺(tái)橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線對(duì)比Fig. 5 Survival condition sway, roll time history

通過以上數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷和六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)均在合理范圍內(nèi)?？梢哉J(rèn)為，在該工況下，平臺(tái)可以非常好地保持定位。

2）生存海況

同樣，本節(jié)僅給出了平臺(tái)在橫蕩和橫搖方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷（見圖5）。對(duì)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則給出了平臺(tái)6 個(gè)自由度的結(jié)果，分別包括其平均值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表4 所示。

表 4 生存海況下系泊系統(tǒng)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 4 Survival condition 6-DOF statistical result

由圖6 的結(jié)果可知平臺(tái)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的橫蕩和橫搖結(jié)果，同樣可以發(fā)現(xiàn)平臺(tái)在數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中的平均值和最大值比較接近，平均值誤差最大在10.53%。平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)的平均值在-5～9 m 左右，橫搖運(yùn)動(dòng)的平均值在0°左右，最大值在11°附近，對(duì)于臺(tái)風(fēng)海況，其運(yùn)動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。

通過以上數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷和六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。可以認(rèn)為，在該工況下，平臺(tái)可以安全地完成定位。

3.2 系泊纜張力時(shí)歷分析

生存海況下，系泊纜張力最大，故本節(jié)只討論在生存海況下數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的對(duì)比。圖6 和表5為生存海況下錨鏈張力時(shí)歷與統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

模型試驗(yàn)中各系泊纜的張力的平均值均保持在10～26 t 左右，在數(shù)值計(jì)算中其平均值保持在9～26 t左右，誤差最大8%左右。生存海況中錨鏈?zhǔn)艿降淖畲髲埩?39 t，使用準(zhǔn)靜態(tài)分析計(jì)算時(shí)，錨鏈最大張力的安全因子取2.0[12]，安全系數(shù)為較高，不會(huì)有錨鏈破斷的情況出現(xiàn)[13]。綜合分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，數(shù)值計(jì)算中各系泊纜張力的結(jié)果與模型試驗(yàn)的結(jié)果差異較小。

3.3 錨點(diǎn)處錨抓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

生存海況下，數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中平臺(tái)各錨點(diǎn)錨抓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6 所示。

可以發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)錨抓力的大小分為2 組，迎風(fēng)浪一側(cè)9～12 號(hào)錨點(diǎn)受力較大。平臺(tái)各錨點(diǎn)錨抓力的平均值在模型試驗(yàn)中均保持在4～26 t，在數(shù)值計(jì)算中其平均值保持在4～24 t，且各錨點(diǎn)錨抓力平均值基本相同。綜合分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，數(shù)值計(jì)算中各錨點(diǎn)錨抓力的結(jié)果與模型試驗(yàn)中的結(jié)果比較接近。錨鏈上的重塊阻止了導(dǎo)纜孔處的拉力傳遞到錨點(diǎn)，因此不會(huì)有走錨危險(xiǎn)[14]。

圖 6 生存海況7 號(hào)和12 號(hào)的錨鏈張力Fig. 6 Force of line 7 and 12 in survival condition

表 5 生存海況下錨泊系統(tǒng)1～12 號(hào)錨鏈張力（單位：t）Tab. 5 Line 1～12 force（unit：t）

表 6 生存海況下1～12 號(hào)錨抓力（單位：t）Tab. 6 Line 1-12 anchor force（unit：t）

4 結(jié) 語

對(duì)南海島礁浮式平臺(tái)的錨泊定位進(jìn)行了錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)研究，并對(duì)比分析了數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的結(jié)果。在工作海況下，平臺(tái)在數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中的平均值和最大值非常接近，平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)均在合理范圍內(nèi)?？梢哉J(rèn)為，在該工況下，平臺(tái)可以非常好地保持定位。生存海況下，平臺(tái)可以安全地完成定位。

本文驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可行性，可為平臺(tái)在其他條件下數(shù)值計(jì)算的正確性提供理論依據(jù)。

錨泊定位的優(yōu)化問題在極淺水中受到限制，通常做法是在錨鏈上配重以提高錨鏈與海底的摩擦力，保證平臺(tái)穩(wěn)定性，具有深遠(yuǎn)研究意義。