基于OrcaFlex的坐底式海底潛標(biāo)釋放系統(tǒng)運(yùn)動仿真分析

鐘 超，陸敬安，梁前勇，顧海峰

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 天然氣水合物工程技術(shù)中心，廣東 廣州 510075；3.天然氣水合物勘查開發(fā)國家工程研究中心，廣東 廣州 510075；4.中天海洋系統(tǒng)有限公司，江蘇 南通 226010)

1 引 言

海底潛標(biāo)作為現(xiàn)代海洋離岸監(jiān)測的重要基礎(chǔ)設(shè)備，能夠自主實(shí)時對海洋水文、氣象等要素進(jìn)行全方面連續(xù)的監(jiān)測，是海洋其他諸多探測手段在時空上的延伸拓展[1-3]。坐底式海底潛標(biāo)底座采用開放式設(shè)計(jì)，不會堵塞海底氣體泄漏通道，且能適應(yīng)更廣泛的海底底質(zhì)類型，尤其是海底天然氣水合物賦存區(qū)，受固定錨的作用可錨定于特定的海底位置，獲取海底邊界層位海洋物理及海洋化學(xué)基線數(shù)據(jù)，能科學(xué)指導(dǎo)海洋天然氣水合物的勘探開發(fā)[4]。因此，順利回收坐底式海底潛標(biāo)尤為重要，通常通過海上調(diào)查船甲板單元啟動聲學(xué)應(yīng)答釋放器釋放壓載錨，海底潛標(biāo)會在自身浮力下浮出海面，后續(xù)被發(fā)現(xiàn)、打撈至船上。坐底式海底潛標(biāo)在釋放上浮的過程中，可能受海洋洋流、海面風(fēng)速等影響，導(dǎo)致上浮軌跡發(fā)生偏移，待浮出水面后遠(yuǎn)離海上調(diào)查船只安全打撈范圍，出現(xiàn)延遲回收、甚至失蹤丟失等問題。

目前關(guān)于潛標(biāo)布放的水動力性國內(nèi)外做了大量研究，2012年，倪佐濤等[5]針對石油平臺上的海洋環(huán)境動力檢測,設(shè)計(jì)了一套有纜潛標(biāo)系統(tǒng),并進(jìn)行了現(xiàn)場布放。2014年，張洋等[6]考慮潛標(biāo)系統(tǒng)各部分的水動力作用和系留索的彈性變形,通過OrcaFlex時域模擬海洋潛標(biāo)系統(tǒng)，采用浮標(biāo)先行投放法的布放過程,計(jì)算了潛標(biāo)系統(tǒng)布放過程中的動態(tài)響應(yīng),并分析了波高、作業(yè)船速度和系留索彎曲剛度對布放的影響。2016年，葛德宏等[7]針對一種可實(shí)現(xiàn)自動分離、錨泊的一體化潛標(biāo),開展布放運(yùn)動與定深控制研究。2017年，脫浩虎等[8]采用OrcaFlex軟件建立了1 500 m水深時采油樹下放安裝過程的數(shù)值模型，研究了不同海流、波浪環(huán)境因素對鉆桿的偏移和受力的影響。2018年，Wang Y. Y.等[9]利用OrcaFlex 軟件研究了海流、波浪環(huán)境下1 500 m水深水下管匯安裝工藝流程中鉆桿的受力情況。確保順利回收是坐底式海底潛標(biāo)從國產(chǎn)化到實(shí)際應(yīng)用過程中必須解決的問題，為此，本文以大型水動力分析軟件OrcaFlex 為平臺對坐底式海底潛標(biāo)釋放上浮過程進(jìn)行了模擬仿真，針對坐底式海底潛標(biāo)和整體釋放回收過程分別建立了有限元分析模型。通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)及環(huán)境參數(shù)，完成了坐底式海底潛標(biāo)釋放回收過程中受力分析及動態(tài)響應(yīng)計(jì)算，為坐底式海底潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)和回收作業(yè)提供指導(dǎo)。

2 模型平臺選擇

OrcaFlex軟件由英國Orcina 公司開發(fā)，是一款可進(jìn)行各種海洋工程結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的軟件，應(yīng)用范圍包括各種立管、錨泊系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)、浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工分析等，具有VESSEL、LINE、6D BUOYS、3D BUOYS、WINCH、LINK 和SHAPE 共7種不同類型的單元，這些單元可模擬各種類型管道、鋪管船、立管、浮體結(jié)構(gòu)等設(shè)施，為懸鏈線系統(tǒng)如鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐?、柔性立管和臍帶電纜，在波浪、海流荷載以及外部強(qiáng)迫運(yùn)動的作用提供了快速精確的分析方法。由于其良好易用的圖形用戶界面及強(qiáng)大的批處理功能，OrcaFlex 為全世界海洋工程設(shè)計(jì)者所青睞[10-16]。

3 坐底式潛標(biāo)水下釋放過程動力學(xué)模型

本項(xiàng)目研究的坐底式海底潛標(biāo)系統(tǒng)可工作于海底2 500 m處，能夠長期、連續(xù)、定點(diǎn)觀測近海底物理、化學(xué)參數(shù)及海洋剖面信息等。系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定時序控制傳感器上電工作，采集相關(guān)測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲。完成預(yù)定任務(wù)后，海面船只通過甲板單元向聲學(xué)應(yīng)答器發(fā)送釋放代碼，潛標(biāo)與壓載錨脫鉤完成上浮回收。待潛標(biāo)完成上浮后，調(diào)查船只航行到潛標(biāo)附近進(jìn)行打撈。海底潛標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 坐底式海底潛標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the bottom-supported submersible buoyant

3.1 水動力分析模型構(gòu)建

采用專業(yè)海工計(jì)算軟件OrcaFlex，模擬坐底式海底潛標(biāo)被鋼纜下放至距海底50 m左右后，調(diào)查船只向水下鋼纜釋放結(jié)構(gòu)發(fā)送釋放代碼，鋼纜與潛標(biāo)脫鉤，潛標(biāo)自由下落完成投放，在完成預(yù)定的測量任務(wù)后，調(diào)查船只甲板單元向水下潛標(biāo)釋放結(jié)構(gòu)發(fā)送釋放代碼，潛標(biāo)與壓載錨脫鉤，潛標(biāo)在自身浮力作用下上浮回收的過程。海底潛標(biāo)相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

表1 坐底式海底潛標(biāo)結(jié)構(gòu)框架參數(shù)

表2 坐底式海底潛標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)

結(jié)構(gòu)框架采用不銹鋼316鋼管焊接而成，如圖2所示，分為上層框架、下層框架和保護(hù)框架三部分組成。其中平時儲存、運(yùn)輸及維護(hù)調(diào)試時均可以分別進(jìn)行。上層、下層框架之間采用螺釘連接，可在下層框架完成設(shè)備安裝后再起吊安裝上層框架。

圖2 結(jié)構(gòu)框架示意圖Fig.2 Structural frame diagram

浮力材料采用玻璃微珠固體浮力材料，如圖3所示。密度0.48 kg/L，長度1 150 mm，寬度1 150 mm，高度700 mm，最大使用深度2 000 m。浮力材料空氣重量336 kg，水下正浮力365 kg。在固體浮力材料四角有安裝吊環(huán)螺釘?shù)穆菁y孔，可以連接吊環(huán)螺釘進(jìn)行輔助起吊，該輔助起吊用于浮力材料安裝使用。

圖3 浮力材料示意圖Fig.3 Schematic diagram of buoyant material

拋載錨為Q235材質(zhì)，整體示意圖如圖4所示。通過連桿機(jī)構(gòu)連接壓載錨及釋放器，空氣重量為330 kg，水下重量為290 kg。

圖4 拋載錨示意圖Fig.4 Schematic diagram of dropping anchor

3.2 環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)置海平面位置，運(yùn)動黏性系數(shù)，海水溫度，雷諾數(shù)計(jì)算方法，設(shè)置海水密度為 1 025 kg/m3，是恒定不變的。具體如表3所示。

表3 模擬動力環(huán)境系數(shù)

設(shè)置海底形狀，海水的深度、斜度以及海底土壤的剛度系數(shù)，其中海底斜度和海底方向都是相對于總體坐標(biāo)系而言，具體如表4所示。

表4 模擬海底環(huán)境系數(shù)

OrcaFlex中給出的風(fēng)和流力的計(jì)算方式是根據(jù)特定模型試驗(yàn)得到的無量綱系數(shù)結(jié)合OCIMF給出的公式來確定的。采用流函數(shù)法(Stream Function Order，SFO) 為10[17]，調(diào)研統(tǒng)計(jì)了中國南海海浪信息。在設(shè)置環(huán)境參數(shù)時參考海浪信息統(tǒng)計(jì)，設(shè)置波高1.8 m，波周期7 s，洋流流速1 m/s。

3.3 潛標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)采用3D單元構(gòu)建潛標(biāo)，空氣中質(zhì)量1.25 t左右，體積0.957 m3，拖曳面積0.598 m2、0.736 m2、2.08 m2，總體框架模型采用3D單元構(gòu)建，潛標(biāo)浮力材料與框架之間鋼纜采用LINK單元模擬，該單元是具有彎曲剛度和軸向剛度的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。線單元是靈活的線性單元，可以用于模擬電纜、錨鏈和其他相似的結(jié)構(gòu)，本身不具備質(zhì)量和水動力屬性，用于連接任意的兩個點(diǎn)，并傳遞拉力/壓力，常用于模擬鋼絲繩[12]。如圖5所示。設(shè)置潛標(biāo)系統(tǒng)下放至海底后，LINK單元釋放浮力材料。

圖5 潛標(biāo)系統(tǒng)模型Fig.5 Submarine system model

3.4 潛標(biāo)系統(tǒng)回收上浮過程受力分析

OrcaFlex整個水動力分析包括靜態(tài)和動態(tài)兩部分。靜態(tài)分析部分主要有兩個作用：①分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在重力、浮力和水流黏滯力作用下是否達(dá)到靜態(tài)平衡；②為潛標(biāo)系統(tǒng)提供一個初始狀態(tài)。

動態(tài)分析是從靜態(tài)分析提供的穩(wěn)定狀態(tài)開始進(jìn)行運(yùn)動模擬，它包括自建階段和模型保持分析階段[18]。自建階段是系統(tǒng)運(yùn)動由0逐漸增加到所給值的階段，這個階段需要一個波長的時間，自建階段后，模型就可以進(jìn)入保持分析階段。動態(tài)模擬計(jì)算，采用顯式計(jì)算方法，在每個時間步長計(jì)算系統(tǒng)的幾何形態(tài)[19]，充分考慮了幾何非線性因素，包括波浪載荷和接觸載荷等的空間變化。運(yùn)動方程的求解采用定步長顯式向前 Euler積分，初始模型參數(shù)通過靜態(tài)分析獲得，計(jì)算每個自由體和節(jié)點(diǎn)的力和力矩[20,21]。

4 潛標(biāo)系統(tǒng)上浮過程水動力學(xué)響應(yīng)及仿真結(jié)果

模擬潛標(biāo)完成投放后自由下落至海底，如圖6所示。模擬接收到釋放信號后，拋載錨與潛標(biāo)主題框架分離，潛標(biāo)依靠自身浮力上浮至海面，如圖7所示。

圖6 潛標(biāo)被鋼纜下放至海底Fig.6 The submersible lowered to the seabed by steel cable

圖7 潛標(biāo)被釋放后上浮至海面Fig.7 The submersible floats to the surface after being released

由圖8、圖9潛標(biāo)依靠自身浮力上浮過程速度、加速度可知，潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)的加速度從3 m/s2減小至0，而速度從0增加到2 m/s后在海流海浪及自身重力作用下達(dá)到平衡，以近似勻速運(yùn)動至海面，達(dá)到海面后速度減小至0。

圖8 潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)上浮過程速度時程變化Fig.8 Time-course change of speed during the ascent of the main structure of the submersible buoy

圖9 潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)上浮過程加速度時程變化Fig.9 Time-course change of acceleration during the ascent of the main structure of the submersible buoy

由圖10潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)上浮過程垂直位移可知，從海底2 000 m上浮至海面用時1 080 s，大約18 min。由圖11潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)上浮過程水平位移可知，在1 080 s時間內(nèi)，水平位移約為70 m。

圖10 潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)上浮過程垂直位移Fig.10 The vertical displacement of the main structure of the submersible tender during the ascent

圖11 潛標(biāo)主體結(jié)構(gòu)上浮過程水平位移Fig.11 The horizontal displacement of the main structure of the submersible tender during the ascent

綜上，潛標(biāo)被釋放后主體結(jié)構(gòu)上浮時間約18 min，上浮速度約2 m/s，因受洋流影響，上浮過程水平位移約70 m。

5 海試應(yīng)用

通過海試，完成了坐底式海底潛標(biāo)系統(tǒng)的“投放-回收”測試，結(jié)果如下：

設(shè)備投入海底之后，可以通過聲學(xué)釋放器甲板控制單元給潛標(biāo)上安裝的兩套釋放器發(fā)送釋放命令，以期完成回收。潛標(biāo)所在位置水深大概為1 800 m，完成上浮至水面用時大約17 min，基本符合模擬結(jié)果。浮出水面后立刻被調(diào)查船上人員瞭望發(fā)現(xiàn)，目測與調(diào)查船的距離在50 m左右，表明潛標(biāo)在上浮過程產(chǎn)生的水平偏移距離在安全可控范圍內(nèi)，后續(xù)完成打撈回收。回收現(xiàn)場如圖12所示。

圖12 海底潛標(biāo)回收現(xiàn)場Fig.12 Submarine submersible recovery site

6 結(jié) 論

本文通過大型水動力分析軟件OrcaFlex，根據(jù)坐底式海底潛標(biāo)系統(tǒng)規(guī)格尺寸和實(shí)際環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了建模，分析其在海底釋放后自由上浮過程中主體的運(yùn)動響應(yīng)，主要模擬了海底潛標(biāo)主體上浮過程速度、加速度時程變化及垂直、水平方向位移變化，模擬情況與實(shí)際海試結(jié)果進(jìn)行了對比，得出以下結(jié)論：

1)基于OrcaFlex軟件中典型的模型單元對坐底式海底潛標(biāo)釋放上浮過程進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)及海況設(shè)計(jì)了軟件模擬環(huán)境參數(shù)，完成了坐底式海底潛標(biāo)釋放回收過程中速度、加速度時程變化及垂直、水平位移分析，結(jié)果表明,海底潛標(biāo)在2 000 m水深處被釋放后約18 min上浮至海面，上浮速度約2 m/s，因受洋流影響，上浮過程水平偏移量約70 m。

2)通過海試驗(yàn)證，海底潛標(biāo)系統(tǒng)在水深2 000 m處被釋放后在18 min內(nèi)完成上浮，浮出水面后在調(diào)查船附近被發(fā)現(xiàn)打撈，目測海底潛標(biāo)出水位置與調(diào)查船距離約50 m，海試驗(yàn)證結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

3)通過“軟件模擬+海試驗(yàn)證”思路，驗(yàn)證了海底潛標(biāo)系統(tǒng)浮力部分設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性，經(jīng)模擬及海試驗(yàn)證，潛標(biāo)在釋放回收過程中產(chǎn)生的偏移距離在安全、可控范圍內(nèi)，保障了海底潛標(biāo)系統(tǒng)和海洋觀測數(shù)據(jù)回收安全性，為海洋天然氣水合物勘查開發(fā)提供了基本數(shù)據(jù)支撐。

致謝

感謝海洋地質(zhì)六號調(diào)查船所有航次的工作人員給予的幫助。