張緊式系泊水下浮筒水動力響應(yīng)特性

陳國龍， 白曉東， 竇宏波， 黃俊輝， 駱寒冰

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028；2. 天津大學(xué) 船舶與海洋工程系， 天津 300350)

0 引 言

為經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)海上邊際油田，開發(fā)設(shè)施如儲卸油設(shè)施應(yīng)具備安全性、經(jīng)濟(jì)性和可再利用能力。傳統(tǒng)海上原油外輸設(shè)施成本高，不利于邊際油田的開發(fā)。為此研發(fā)一種新型可移動水下張緊系泊浮筒型油氣外輸終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備投資低、便于遷移再利用的特點(diǎn)，可有效降低海上邊際油田開發(fā)成本。

在波流作用下，水下浮筒和張緊式系泊耦合運(yùn)動特性復(fù)雜。海上施工成本高昂，準(zhǔn)確預(yù)報浮筒運(yùn)動響應(yīng)和系泊受力，判斷能否正常作業(yè)，對提高作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。開展水下張緊式系泊浮筒動力響應(yīng)特性研究有助于避免危險事故的發(fā)生，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

水下張緊式系泊浮體常見于水下海洋波浪能裝置和海底懸浮隧道中，學(xué)者們對張緊式系泊浮體開展大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。RUTKOWSKI[1]對比分析單點(diǎn)系泊水下張緊式系泊浮筒和動力定位外輸駁船的動力響應(yīng)特性。JIN等[2]開展物理模型探究二維水下張緊式系泊懸浮隧道的非線性運(yùn)動響應(yīng)和系泊張力。SEO等[3]研究水下系泊浮體張緊式系泊的松弛現(xiàn)象，并探究張緊式系泊的張力特性。MENG等[4]研究張緊式水下波浪能結(jié)構(gòu)運(yùn)動特性和發(fā)電效率。YANG等[5]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬探究水下張緊式系泊球體在單色波作用下的半頻非線性運(yùn)動響應(yīng)特性。ORSZAGHOVA等[6]探究單點(diǎn)張緊式系泊水下浮子波浪能裝置參激不穩(wěn)定現(xiàn)象，理論推導(dǎo)橫蕩運(yùn)動不穩(wěn)定方程，并通過模型試驗(yàn)探究三點(diǎn)張緊式系泊水下浮子波浪能裝置艏搖運(yùn)動參激不穩(wěn)定現(xiàn)象，構(gòu)建二階和三階非線性Mathieu不穩(wěn)定方程[7]。SERGIIENKO等[8]通過數(shù)值模擬探究單點(diǎn)和三點(diǎn)張緊式系泊水下浮子波浪能裝置垂蕩和縱蕩運(yùn)動特性，探究阻尼和能量提取系統(tǒng)對浮子運(yùn)動的影響。LU等[9]探究水下懸浮隧道張緊式系泊張力的松弛-張緊現(xiàn)象，探究結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)、系泊傾角、浮心和重心相對位置對系泊脈沖張力的影響。CANTERO等[10]對垂直張緊式系泊水下懸浮隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，探究懸浮隧道在參激振動下張緊式系泊受力特性。

國內(nèi)外學(xué)者對張緊式系泊浮體運(yùn)動響應(yīng)開展一定的研究，但對三點(diǎn)張緊式系泊水下浮筒運(yùn)動響應(yīng)的試驗(yàn)研究較少，對張緊式系泊水下浮筒的可行性及適用范圍缺乏深入了解，張緊式水下系泊浮筒的設(shè)計缺乏科學(xué)理論依據(jù)。本文以外輸終端——水下張緊式系泊浮筒為研究對象，采用模型試驗(yàn)方法探究波浪作用下水下系泊浮筒的動力響應(yīng)特性，對水下系泊浮筒的優(yōu)化設(shè)計具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

1 模型試驗(yàn)方案及布置

試驗(yàn)在天津大學(xué)港口與海洋工程水池進(jìn)行，水池長×寬×深為55.0 m×24.0 m×1.8 m。浮筒和系泊參數(shù)如表1所示。圖1為水下系泊浮筒示例及系泊布置圖，圖1(b)給出系泊纜編號f1～f6和試驗(yàn)中的波浪方向。圖2為浮筒試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)現(xiàn)場布置圖。試驗(yàn)縮尺比λ為1∶50。模型與原型之間需要滿足幾何相似、流體運(yùn)動和動力相似。其中，動力相似主要指滿足Froude相似和Strouhal相似準(zhǔn)則，而忽略黏性Reynolds相似，即

(1)

(2)

式中：Fr和Sr分別為弗勞德數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)；V、L、t分別為速度、長度、時間，下標(biāo)m、s分別代表模型和原型。

表1 浮筒和系泊主要參數(shù)

圖1 水下系泊浮筒示例及系泊系統(tǒng)布置

圖2 浮筒試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)現(xiàn)場

利用NDI公司的OPTOTRAK Certus非接觸式光學(xué)系統(tǒng)測量浮筒的運(yùn)動響應(yīng)，最高精度為0.1 mm。采用微型拉力傳感器測量6根系泊纜的受力，微型拉力傳感器安裝于纜繩與導(dǎo)纜孔之間，量程為2 kg，精度為2 g。

通過靜水衰減試驗(yàn)得到系泊浮筒固有周期，如表2所示。換算成原型結(jié)果的模型試驗(yàn)系泊浮筒衰減曲線如圖3所示。

表2 系泊浮筒固有周期和頻率原型值

圖3 浮筒衰減曲線

開展規(guī)則波試驗(yàn)測定浮筒運(yùn)動響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，開展不規(guī)則波和水流聯(lián)合作用試驗(yàn)測定浮筒的動力響應(yīng)特性。采用JONSWAP譜模擬不規(guī)則波，不規(guī)則波有義波高為8.6 m，譜峰周期為11.8 s，流速為1.9 m/s，波流同向。試驗(yàn)波高及波浪譜與理論譜的比較如圖4所示。所有分析結(jié)果均已轉(zhuǎn)換為原型值。

圖4 不規(guī)則波時歷及波浪譜

2 規(guī)則波下浮筒運(yùn)動和系泊受力特性

圖5和圖6分別為頂浪情況下規(guī)則波周期為8 s時浮筒的運(yùn)動時歷曲線和響應(yīng)譜。由圖5和圖6可知：

(1) 在橫搖和縱搖固有周期附近，浮筒也會產(chǎn)生垂直于波浪方向的運(yùn)動，即橫蕩、橫搖和艏搖運(yùn)動。

(2) 不同于傳統(tǒng)懸鏈線等系泊系統(tǒng)，張緊式系泊系統(tǒng)的浮筒在縱蕩、橫蕩和艏搖方向上不存在低頻慢漂運(yùn)動，浮筒縱蕩、橫蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動主要以波頻運(yùn)動，垂蕩和艏搖以倍頻運(yùn)動為主。浮筒在艏搖方向上具有明顯高階運(yùn)動，橫搖方向上的運(yùn)動具有一定的非線性成分。

(3) 受張緊式系泊的影響，浮筒垂蕩運(yùn)動呈現(xiàn)非對稱特性，向上運(yùn)動幅度遠(yuǎn)小于向下運(yùn)動的幅度。

圖5 規(guī)則波下浮筒運(yùn)動時歷(T=8 s)

圖6 規(guī)則波下浮筒運(yùn)動響應(yīng)譜(T=8 s)

圖7為規(guī)則波下系泊系統(tǒng)的受力時歷曲線。由圖7可知，系泊力呈現(xiàn)周期性變化，但具有非線性特性。圖8為規(guī)則波下系泊受力的響應(yīng)譜。由圖8可知，系泊受力以波頻為主，具有二階及更高階成分。

圖7 規(guī)則波下系泊力時歷(T=8 s)

圖8 規(guī)則波下系泊力響應(yīng)譜(T=8 s)

圖9給出規(guī)則波下浮筒頂浪情況的運(yùn)動RAO。由圖9可知：

(1) 浮筒存在垂直于波浪方向上的運(yùn)動，即橫蕩、橫搖和艏搖，在固有周期附近呈現(xiàn)大幅運(yùn)動。參激共振可能是導(dǎo)致垂直于波浪方向運(yùn)動的原因。由試驗(yàn)結(jié)果和分析可知，在進(jìn)行水下浮筒設(shè)計時應(yīng)充分考慮垂直于波浪方向的運(yùn)動特性。

(2) 浮筒運(yùn)動基本呈現(xiàn)隨波浪頻率先增大后減小的趨勢，在橫搖和縱搖固有周期附近，6個自由度運(yùn)動達(dá)最大值。浮筒在橫搖和縱搖固有周期附近出現(xiàn)較大橫蕩運(yùn)動，表明浮筒縱蕩與橫搖、縱搖出現(xiàn)耦合。

(3) 8 s周期的波浪波長約100 m，浮筒直徑為9 m，浮筒尺度比波長小很多，非線性黏性力對浮筒運(yùn)動的影響不可忽視。

圖9 規(guī)則波下浮筒頂浪下運(yùn)動RAO

3 不規(guī)則波下浮筒運(yùn)動和系泊受力特性

圖10為不規(guī)則波下浮筒運(yùn)動時歷曲線。由圖10可知：浮筒的正向縱搖運(yùn)動大于20°，負(fù)向縱搖運(yùn)動小于20°，浮筒縱搖均值為正值，表明浮筒有一定的傾斜角，這是由水流存在造成的。浮筒橫搖運(yùn)動約±10°，較大的浮筒縱搖和橫搖轉(zhuǎn)動不利于浮筒外輸作業(yè)。

圖10 不規(guī)則波下浮筒運(yùn)動時歷

圖11為不規(guī)則波下浮筒運(yùn)動響應(yīng)譜。由圖11可知：運(yùn)動頻率大多集中在波浪頻率范圍；但艏搖運(yùn)動出現(xiàn)二倍頻運(yùn)動，垂蕩運(yùn)動更加復(fù)雜，在高頻和低頻處均有一部分能量。

圖11 不規(guī)則波下浮筒運(yùn)動頻譜響應(yīng)譜

圖12為不規(guī)則波下系泊受力的時歷曲線。由圖12可知：迎浪測f1和f2系泊纜比f2系泊纜受力大；張緊式系泊的受力具有非對稱特性，呈現(xiàn)一定的脈沖特性。圖13為不規(guī)則波下系泊力響應(yīng)譜。由圖13可知，張緊式系泊能力主要集中在波頻范圍內(nèi)，最大系泊力為1.20×106N。

圖12 不規(guī)則波下系泊力時歷

圖13 不規(guī)則波下浮筒系泊力響應(yīng)譜

4 結(jié) 論

采用物理模型試驗(yàn)方法研究波流工況下張緊式系泊水下浮筒的動力響應(yīng)特性，得到如下結(jié)論：

(1) 由規(guī)則波結(jié)果可知，浮筒運(yùn)動主要以波頻為主，受張緊式系泊的影響，浮筒不會出現(xiàn)慢漂運(yùn)動，運(yùn)動呈現(xiàn)高階非線性特性。規(guī)則波RAO結(jié)果表明：浮筒運(yùn)動呈現(xiàn)隨波頻先增大后減小的趨勢，在橫搖和縱搖固有周期附近達(dá)最大值；在橫搖和縱搖固有周期附近，浮筒也會產(chǎn)生垂直于波浪方向上的運(yùn)動，即橫蕩、橫搖和艏搖運(yùn)動，原因可能是參激共振和非線性黏性力作用。在進(jìn)行水下浮筒設(shè)計時應(yīng)充分考慮浮筒垂直于波浪方向上的運(yùn)動。

(2) 在不規(guī)則波和水流作用下浮筒呈現(xiàn)六自由度運(yùn)動，浮筒垂蕩呈現(xiàn)非對稱特性，受張緊式系泊的影響，浮筒向下垂蕩運(yùn)動幅值大于向上運(yùn)動幅值；浮筒在波流作用下呈現(xiàn)較大的縱搖和橫搖運(yùn)動，且由于水流的原因浮筒沿水流方向有一定的傾斜角；譜分析發(fā)現(xiàn)浮筒運(yùn)動能量大多集中在波頻范圍內(nèi)。

(3) 由張緊式系泊受力結(jié)果可知，迎浪側(cè)系泊纜受力遠(yuǎn)大于背浪側(cè)系泊纜受力，譜分析發(fā)現(xiàn)浮筒系泊力能量譜大多集中在波頻范圍內(nèi)。