吊放式深海潛標(biāo)布放和回收過(guò)程數(shù)值分析

鄭躍洲　齊曉亮　張仕華　薛乃耀

摘 要：深海潛標(biāo)可用于長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境，是海底觀測(cè)網(wǎng)的無(wú)線固定網(wǎng)的組成部分。通過(guò)AQWA軟件對(duì)采用吊放式的深海潛標(biāo)進(jìn)行時(shí)域模擬，考慮2000m水深的南海環(huán)境，以及波浪、海流的影響，模擬得到潛標(biāo)布放和回收過(guò)程中設(shè)備和浮球的水平、垂向的位移和速度，以及纜繩張力等數(shù)據(jù)，為潛標(biāo)的深海試驗(yàn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潛標(biāo)系統(tǒng);布放回收;AQWA

中圖分類號(hào)：P 754? ???????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Numerical analysis of the Deployment and Recycling Process of Hanging Deep-sea Buoy

ZHENG Yuezhou QI Xiaoliang ZHANG Shihua XUE Naiyao

（ 1. College of Civil and Transportation Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640;

2. CIMC Offshore Co .Ltd ， Shenzhen 518000）

Abstract：The deep-sea buoy can be used for long-term continuous monitoring of the marine environment， and it is also a component of the wireless fixed network of the seafloor observatory. The time domain simulation of the suspended deep-sea buoy is carried out through AQWA software. Considering the South China Sea environment at a water depth of 2000 meters， as well as the influence of waves and currents， the simulation obtains the level and vertical of the equipment and floating ball during the deployment and recycling of the buoy. Data such as displacement and velocity， as well as cable tension， provide the basis for deep-sea experiments.

Key words： Buoy system; Deployment and recycling; AQWA

1前言

深海蘊(yùn)藏著非常豐富的各類資源，不僅包括石油資源，還有陸上稀缺的金屬礦資源。海洋開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到各國(guó)重視，深海觀測(cè)設(shè)備作為海洋探測(cè)以及資源開(kāi)發(fā)利用的重要裝備，已成為各國(guó)競(jìng)相研制建造的目標(biāo)。我國(guó)已在東海和南海分別建立海底觀測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)從海底向海面的全天候、實(shí)時(shí)和高分辨的立體綜合監(jiān)測(cè)，為深入認(rèn)識(shí)東海和南海海洋環(huán)境提供觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)^[1]。

潛標(biāo)常用于監(jiān)測(cè)海洋水文、氣象、海底地貌，具有較好的隱蔽性、穩(wěn)定性，在軍事領(lǐng)域上發(fā)揮著很大作用^[2-3]。目前潛標(biāo)也可作為海底觀測(cè)網(wǎng)的固定節(jié)點(diǎn)，與海底主基站、AUV移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲通信與無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，形成海底有纜觀察網(wǎng)的無(wú)線拓展系統(tǒng)。

深海觀測(cè)設(shè)備脫離母船的方式，分為：投放式;吊放式;拋棄式。吊放式是用母船上的A型架、吊臂等機(jī)械設(shè)備，將深海觀測(cè)設(shè)備吊到海水中，當(dāng)深海觀測(cè)設(shè)備處于預(yù)定狀態(tài)后才與母船脫離，或者不脫離母船直到深海觀測(cè)設(shè)備完成任務(wù)回收。本文的潛標(biāo)布放方式采用吊放式。

深海潛標(biāo)的布放和回收一直是個(gè)難題，相關(guān)的研究不多。Chang ZY^[4]分析了浮標(biāo)系統(tǒng)布放時(shí)在靜水和海流作用下的動(dòng)力學(xué)特性;張洋^[5]使用Orcaflex軟件，進(jìn)行了潛標(biāo)系統(tǒng)在500m水深環(huán)境布放過(guò)程的時(shí)域仿真。

為了實(shí)現(xiàn)在2000m水深的南海惡劣環(huán)境下潛標(biāo)布放和回收，對(duì)潛標(biāo)系統(tǒng)作一定簡(jiǎn)化，分別建立水下布放和回收的水動(dòng)力分析模型，進(jìn)行頻域和時(shí)域的計(jì)算，結(jié)合水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，為海底觀測(cè)網(wǎng)的深海試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)。

2深海試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 潛標(biāo)

深海試驗(yàn)潛標(biāo)，整套裝置高約100～130m。先進(jìn)錨系潛標(biāo)：干重約2～2.5t，濕重約1t;設(shè)備包括水聲通信機(jī)、CTD、單點(diǎn)海流計(jì)等傳感器儀器包、連接承力組件、纜繩、電氣承力纜、浮球和水泥塊等。浮球數(shù)量為32個(gè)，浮球直徑17英寸，球體凈浮力26kg，空氣中重量22.15kg;浮球在纜繩上的間距為2m;潛標(biāo)布放時(shí)，標(biāo)記最靠近絞車的浮球?yàn)楦∏?，靠近儀器包的浮球?yàn)楦∏?2。

海試“向陽(yáng)紅31號(hào)”為大型浮標(biāo)作業(yè)船，總長(zhǎng)89m，垂線間長(zhǎng)86m、型寬18m、型深7.2m、吃水4.8m、排水量3982t，最高航速≥16kn;配備DP-2動(dòng)力定位。

2.2 環(huán)境參數(shù)

深海試驗(yàn)區(qū)位于神狐峽谷群的底部與珠江海谷的頭部，地勢(shì)較為平坦，由神狐峽谷群沖刷下來(lái)的沉積物在此堆積，形成較厚沉積物層。

進(jìn)行深海試驗(yàn)布放和回收時(shí)域仿真時(shí)，波譜采用P-M譜，有義波高Hs=1.5m，跨零周期Tz=8.0s，海面流速為1.0m/s;隨著深度增加，流速呈階梯狀減小，在靠近海底的500m水深范圍，流速近似為0。

3 潛標(biāo)水下布放和回收過(guò)程時(shí)域仿真

數(shù)值模擬中甲板以下部分的船體表面網(wǎng)格分布情況為：總網(wǎng)格數(shù)8641，水面以下網(wǎng)格數(shù)3554，并在水線面劃分網(wǎng)格以消除不規(guī)則頻率影響。

如圖1所示：潛標(biāo)由cable1～4、浮球1～32、儀器包、聲學(xué)釋放器和重塊組成。其中，浮球、儀器包、聲學(xué)釋放器和重塊特征尺度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，故將其作為莫里森單元進(jìn)行建模;由于潛標(biāo)的浮球過(guò)多且直徑較小，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)作近似處理，32個(gè)浮球只保留1和32兩個(gè)，剩余浮球的質(zhì)量和體積平均分布到cable2上。各構(gòu)件的質(zhì)量和浮力，如表1所列：

3.1 ?潛標(biāo)布放

潛標(biāo)布放前，應(yīng)做好系流準(zhǔn)備、儀器檢查準(zhǔn)備、投放前準(zhǔn)備。采取先標(biāo)后錨方法，即按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖先投放離海面最近的浮體，再按順序投放系留、儀器設(shè)備、浮球及釋放器等，最后投放錨。

投放起始點(diǎn)宜為順流方向，距離觀測(cè)站位投放點(diǎn)2倍至3倍系留長(zhǎng)度位置;作業(yè)船應(yīng)頂流開(kāi)始作業(yè)，投放過(guò)程中船宜以1節(jié)的速度低速前進(jìn);可通過(guò)操作甲板單元對(duì)釋放器進(jìn)行三點(diǎn)測(cè)距，確定實(shí)際投放位置;作業(yè)完成后，海試船應(yīng)在投放點(diǎn)附近漂泊觀察是否水面有破斷繩纜、浮球等漂浮物，若無(wú)則清理作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備返航，若有則根據(jù)應(yīng)急預(yù)案處置。

潛標(biāo)的布放和回收，是通過(guò)Hydrodynamic Response中的Cable Winch模塊實(shí)現(xiàn)：通過(guò)絞車可改變纜繩長(zhǎng)度，其中與絞車相連的纜繩必須是線性的，絞車可在指定啟動(dòng)時(shí)間后按給定速度啟動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最終長(zhǎng)度時(shí)停止;潛標(biāo)布放和回收時(shí)，絞車的速度均為0.8m/s，但當(dāng)絞車放長(zhǎng)纜繩時(shí)，實(shí)際的速度會(huì)乘上系數(shù)1+ε/2，ε為應(yīng)變。

AQWA可以生成一個(gè)模擬浮式結(jié)構(gòu)在風(fēng)、波和水流作用下的運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程，這些浮式結(jié)構(gòu)是可以由關(guān)節(jié)或系泊索任意連接的;結(jié)構(gòu)的位置和速度，是通過(guò)在時(shí)域中積分這些力引起的加速度來(lái)確定的。時(shí)域整體運(yùn)動(dòng)方程為：

MA=F_t

式中：M為組裝后的結(jié)構(gòu)和附加質(zhì)量矩陣;A為加速度矢量;F_t為總作用力的矢量。

吊點(diǎn)位于船后5m處。將絞車?yán)|定義為cable1;浮球1與絞車?yán)|相連，浮球1與浮球32之間的纜繩，定義為cable2;浮球32與儀器包相連，其纜繩定義為cable3;儀器包和聲學(xué)釋放器相連的纜繩，定義為cable4。

潛標(biāo)在下放過(guò)程中，浮球1、浮球32、儀器包及水泥重塊的水平位置隨時(shí)間變化曲線，如圖2所示，其深度變化曲線如圖3所示。

數(shù)值模擬中假設(shè)吊點(diǎn)位于船尾后-5m處。由于流的作用，浮球、儀器包和水泥重塊水平方向的位置開(kāi)始時(shí)偏離-5m位置，隨著深度增加流作用減弱，潛標(biāo)水平方向位置在-5m附近振蕩。

設(shè)置的波浪沿安裝船的船尾方向傳播，來(lái)流方向與波向相同;試驗(yàn)船和潛標(biāo)系統(tǒng)受到波浪和海流的共同作用，水面附近有較大的流速，海底附近流速幾乎為零;隨著布放深度的加大，潛標(biāo)在布放過(guò)程中，水平方向的位置先遠(yuǎn)離吊點(diǎn)位置沿流及波浪傳播方向移動(dòng)，隨著布放深度繼續(xù)增加又回到船舶吊點(diǎn)附近。

潛標(biāo)1在下放過(guò)程中，浮球1、浮球32、儀器包及水泥重塊水平速度、垂向速度和纜繩張力，隨時(shí)間變化曲線如圖4～圖6所示。

潛標(biāo)的浮球1位于最上面，完全入水布放時(shí)受到的波浪和海流的影響最大，可在圖4中看出浮球1 的水平速度變化最大;潛標(biāo)在布放過(guò)程中，通過(guò)A架直接下放，與釋放器相連的纜繩張力較小，浮球與設(shè)備相連的纜繩具有較大的張力值。

3.2 潛標(biāo)回收

潛標(biāo)的回收步驟，主要包括：系統(tǒng)釋放;系統(tǒng)搜尋;打撈回收;數(shù)據(jù)下載;整理記錄等?；厥涨皯?yīng)做好以下準(zhǔn)備工作：

1. 召集所有作業(yè)人員參加回收作業(yè)協(xié)調(diào)會(huì)， 明確作業(yè)方案、實(shí)施步驟、崗位責(zé)任、安全措施和注意事項(xiàng);
2. 準(zhǔn)備甲板單元和釋放器釋放碼;
3. 準(zhǔn)備工作小艇，并進(jìn)行工作狀態(tài)檢查;
4. 檢查吊車、絞盤等運(yùn)行是否正常;
5. 準(zhǔn)備打撈抓鉤等專用工具。

作業(yè)船抵達(dá)投放點(diǎn)附近，通過(guò)釋放器甲板單元與潛標(biāo)系統(tǒng)上的釋放器的水下?lián)Q能器，建立聲學(xué)通信，并發(fā)出釋放信號(hào);作業(yè)船停車，防止?jié)摌?biāo)上浮過(guò)程中進(jìn)入螺旋槳;回收過(guò)程中，用絞車與吊機(jī)配合，將待回收的儀器、錨系提升到甲板以上適當(dāng)位置，剎住絞車;用纜繩或抓鉤固定住系留，防止系留下滑;正向啟動(dòng)絞車，使張力落到固定纜繩上，然后卸下連接卸扣和儀器。

潛標(biāo)回收的數(shù)值模擬，主要是模擬潛標(biāo)在未出海面前的上浮過(guò)程。潛標(biāo)回收過(guò)程中，浮球和儀器包的空間位置、速度和纜繩張力，如圖7～圖11所示：

在回收過(guò)程中，浮力大于重力，各浮球及設(shè)備初始階段作加速運(yùn)動(dòng)，直到向上的浮力與向下的重力及阻力值達(dá)到平衡時(shí)，在無(wú)海流作用的海域中可勻速上浮，此時(shí)上浮速度很快穩(wěn)定在2.7m/s左右;潛標(biāo)在上浮回收過(guò)程中，受流力作用，水平面上沿流的方向逐漸偏離安裝位置對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，從2000m水深處上浮到海面大約需12分鐘;回收過(guò)程中，浮球32相連的纜繩受到張力最大。

4結(jié)論

深海試驗(yàn)潛標(biāo)在布放及回收過(guò)程中，海試船的吊點(diǎn)位置會(huì)隨時(shí)間波動(dòng)，海流的流速和方向會(huì)隨水深而變化，波浪也會(huì)隨時(shí)間波動(dòng)，所以試驗(yàn)設(shè)備在布放過(guò)程中的位置、速度、纜繩張力，均會(huì)隨時(shí)間呈現(xiàn)出波動(dòng)。

潛標(biāo)在布放過(guò)程中，浮球與設(shè)備相連的纜繩具有較大的張力值;在回收過(guò)程中，相對(duì)于其它纜繩段，浮球與設(shè)備相連的纜繩同樣具有相對(duì)較大的張力值;在回收階段，潛標(biāo)依靠浮球產(chǎn)生的凈浮力產(chǎn)生上浮，對(duì)應(yīng)纜繩的最大張力值小于布放過(guò)程中纜繩的最大張力值，因此深海試驗(yàn)時(shí)需要重視在潛標(biāo)布放時(shí)浮球與纜繩的連接。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFC1405800）;廣東省促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展專項(xiàng)資金（GDME-2018A002）

作者簡(jiǎn)介：鄭躍洲（1995-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)榇芭c海洋工程水動(dòng)力學(xué)。