系泊參數(shù)對(duì)半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)水動(dòng)力特性的影響

劉昌鳳，馮騰躍，王子謙，張宇，陳昌平*

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海洋大學(xué))，遼寧 大連 116023)

近年來(lái)，隨著近岸水域養(yǎng)殖密度不斷增大，海水污染日趨嚴(yán)重，隨之而來(lái)的生態(tài)環(huán)境和食品安全問(wèn)題也日益突出，而深遠(yuǎn)海水體交換率高、水質(zhì)優(yōu)良、病害率低，已逐漸成為海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的新空間。隨著海洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)不斷向深遠(yuǎn)海挺進(jìn)，大型漁業(yè)工程裝備已成為國(guó)內(nèi)外海洋工程與水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2017年，由挪威設(shè)計(jì)、中船重工武船集團(tuán)建造的世界上首座半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)Ocean Farm 1正式交付，此后，中國(guó)相繼設(shè)計(jì)和建造了多座半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)，如“澎湖號(hào)”和“寧德1號(hào)”等。半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)因其具有水面線小、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注，但深遠(yuǎn)海海洋環(huán)境較為惡劣，因此，系泊系統(tǒng)的安全性是保證養(yǎng)殖平臺(tái)風(fēng)暴自存和正常作業(yè)的關(guān)鍵。

半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式與傳統(tǒng)的深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱和半潛式海洋平臺(tái)有較大區(qū)別，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其水動(dòng)力特性問(wèn)題開(kāi)展了一系列研究工作?；谖锢砟Ｐ驮囼?yàn)方法，Zhao等[1]研究了波浪作用下半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)在檢修狀態(tài)和工作狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨繩力特性；Yu等[2]研究了極端海況下一種改型半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)的非線性垂直加速度和系泊載荷?；趧?shì)流理論，黃碩等[3]開(kāi)展了半潛式波浪能養(yǎng)殖平臺(tái)“澎湖1號(hào)”及其系泊系統(tǒng)在浪流聯(lián)合作用下水動(dòng)力性能研究；崔勇等[4]建立了波浪作用下半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)的數(shù)值模型，分析并比較了不同波浪條件下錨繩張力與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，Wang等[5]分析了規(guī)則波參數(shù)、網(wǎng)衣密實(shí)度和吃水對(duì)全潛式養(yǎng)殖平臺(tái)“深藍(lán)1號(hào)”的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力的影響；Zhao等[6]分析了流速和網(wǎng)衣密實(shí)度對(duì)半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)內(nèi)部流速分布和水阻力的影響。利用勢(shì)流理論方法和物理模型試驗(yàn)方法，Miao等[7]分析了吃水、網(wǎng)衣密實(shí)度和波高對(duì)一種新型的半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；Liu等[8]分析了波長(zhǎng)、波陡和吃水對(duì)半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力的影響。目前，有關(guān)半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)水動(dòng)力問(wèn)題的研究多集中在平臺(tái)環(huán)境載荷的敏感度分析上，僅對(duì)某種確定形式的系泊方案開(kāi)展了纜索動(dòng)力特性研究，未見(jiàn)對(duì)纜索的材質(zhì)及其布置形式進(jìn)行更深入地研究和討論。

本研究中，以挪威弗魯灣海域的半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)Ocean Farm 1為研究對(duì)象，基于勢(shì)流理論建立了多點(diǎn)系泊平臺(tái)的時(shí)域耦合水動(dòng)力模型，研究了養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊纜材質(zhì)、導(dǎo)纜孔位置、組內(nèi)纜間角和纜索布置方式對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力的影響規(guī)律，基于參數(shù)化研究結(jié)果，給出了一種優(yōu)選的系泊布置方案，并針對(duì)南海海域的實(shí)際環(huán)境條件，探討了大型深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)在南海海域的應(yīng)用性，以期為半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型提供科學(xué)參考。

1 數(shù)值計(jì)算基本理論

考慮有限水深中做6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)，建立直角坐標(biāo)系Oxyz，其Oxy平面與靜水面重合，z軸豎直向上且通過(guò)平臺(tái)中心(圖1)。

圖1 坐標(biāo)系定義Fig.1 Definition of coordinate system

基于勢(shì)流理論假定，建立平臺(tái)水動(dòng)力分析模型，則流場(chǎng)中存在速度勢(shì)函數(shù)Φ(x,y,z,t)滿足拉普拉斯方程：

2Φ=0。

(1)

線性化自由水面邊界條件為

(2)

線性物面邊界條件為

(3)

海底邊界條件為

(4)

由線性化伯努利方程可得到動(dòng)水壓強(qiáng)為

(5)

式中：t為時(shí)間(s)；g為重力加速度(m/s2)；d為水深(m)；n為物面法向量；v為物面單元速度矢量；ρ為流體密度(kg/m3)。

為簡(jiǎn)化問(wèn)題，進(jìn)一步將總速度勢(shì)分解為入射勢(shì)(φ0)、繞射勢(shì)(φ7)和輻射勢(shì)(φj)：

(6)

式中：ξj為6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)幅值；ω為波浪的入射圓頻率(rad/s)；i為虛數(shù)單位。各散射勢(shì)滿足物面條件：

(7)

物體上的廣義波浪激振力(fW)可通過(guò)物體表面上壓強(qiáng)的積分求得：

(8)

輻射勢(shì)貢獻(xiàn)的部分稱為水動(dòng)力系數(shù)(fkj)，計(jì)算公式為

(k,j=1,…,6)。

(9)

式中：akj和bkj分別為附加質(zhì)量系數(shù)和輻射阻尼系數(shù)；nk為物面源點(diǎn)處廣義法向矢量在6個(gè)自由度上的分量。

將附加質(zhì)量系數(shù)和輻射阻尼系數(shù)代入浮體運(yùn)動(dòng)方程，可得到物體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值ξj：

(k,j=1,…,6)。

(10)

式中：mkj為系統(tǒng)質(zhì)量陣系數(shù)；dkj為系統(tǒng)阻尼陣系數(shù)；ckj為回復(fù)力陣系數(shù)；fWj為物體的波浪激振力幅值。相關(guān)時(shí)域計(jì)算采用Cummins[9]提出的頻域轉(zhuǎn)時(shí)域方法。

2 數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性，以半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)Ocean Farm 1[10]為計(jì)算模型，開(kāi)展波浪作用下頻域水動(dòng)力分析。圖2給出了該養(yǎng)殖平臺(tái)的示意圖，其結(jié)構(gòu)參數(shù)及主尺度參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格收斂性分析，選用邊長(zhǎng)為2 m的網(wǎng)格(網(wǎng)格數(shù)量為5 808)對(duì)浮筒和立柱進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖3所示。

表1 養(yǎng)殖平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameter of parts of the fish farm

表2 養(yǎng)殖平臺(tái)主尺度參數(shù)Tab.2 Main dimensions of the fish farm

圖2 養(yǎng)殖平臺(tái)模型Ocean Farm 1[10]Fig.2 Fish farm model of Ocean Farm 1[10]

頻域分析采用規(guī)則波，波浪頻率為0.1～2.0 rad/s，波幅為1 m，浪向角為0°，計(jì)算水深為150 m。通過(guò)頻域計(jì)算得到單位波幅下養(yǎng)殖平臺(tái)縱蕩、垂蕩及縱搖3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(RAO)，并與Dou[10]的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖4)。

圖4 0°浪向角時(shí)養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值(RAO)Fig.4 Comparison of RAO results in the fish farm in 0 degree wave direction

從圖4可見(jiàn)，本研究中計(jì)算的平臺(tái)縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值與Dou[10]的計(jì)算結(jié)果吻合良好；縱搖運(yùn)動(dòng)幅值雖然略有差別，但其最大值約為0.07°，說(shuō)明縱搖運(yùn)動(dòng)幾乎可以忽略不計(jì)，從而驗(yàn)證了本研究中數(shù)值模型的有效性。

3 系泊參數(shù)對(duì)平臺(tái)水動(dòng)力特性的影響

基于頻域分析的參數(shù)設(shè)置，對(duì)半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)Ocean Farm 1開(kāi)展規(guī)則波作用下時(shí)域水動(dòng)力分析，規(guī)則波波幅為5 m，周期為11 s，浪向角為0°，系泊纜采用4組×2根/組的布置方式，組內(nèi)纜間角為45°，導(dǎo)纜孔位于邊緣浮筒水線下30 m處，系泊纜索長(zhǎng)度為380 m(圖5)。導(dǎo)纜孔及錨泊點(diǎn)的位置坐標(biāo)如表3所示。時(shí)域分析中，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，模擬時(shí)間為3 600 s。

表3 導(dǎo)纜孔和錨泊點(diǎn)位置Tab.3 Fairlead and anchor positions

圖5 養(yǎng)殖平臺(tái)系泊系統(tǒng)Fig.5 Mooring system of the fish farm

3.1 系泊纜材質(zhì)

系泊纜索采用非線性懸鏈?zhǔn)较挡?，纜索材料參數(shù)如表4所示。在纜索長(zhǎng)度不變的前提下，通過(guò)改變材料組合形式，構(gòu)成了4種不同材料組合的纜索，如表5所示。通過(guò)時(shí)域數(shù)值模型計(jì)算得到系泊平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值及其系泊纜索張力最大值，分別如表6和圖6所示。

表4 系泊纜材料參數(shù)Tab.4 Mooring line properties

表5 系泊纜索材料組合工況Tab.5 Mooring line property combination cases

表6 不同纜索材料組合時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值

圖6 不同纜索材料組合時(shí)系泊纜張力最大值Fig.6 Maximum tension of mooring line in different cable property combination cases

從表6和圖6可見(jiàn)：采用鋼纜(系泊纜1)和聚酯纜(系泊纜3)代替鋼鏈(系泊纜2)作為頂鏈，頂鏈的單位長(zhǎng)度質(zhì)量分別減少了53.4%和92.8%，養(yǎng)殖平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值分別降低了7.9%和12.8%，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值分別增大了44%和64%，系泊纜最大張力分別降低了7.8%和14.4%，而縱搖運(yùn)動(dòng)幅值保持不變；采用聚酯纜代替鋼鏈作為頂鏈，保持纜索總長(zhǎng)度不變，頂鏈長(zhǎng)度增加1倍(系泊纜4)，養(yǎng)殖平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值和系泊纜最大張力分別降低了18.2%和23.5%，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值增大了84%。這表明，輕質(zhì)頂鏈能夠減少懸垂段纜索自重，增加系泊纜與豎直方向夾角，從而提供更大的水平回復(fù)力，減小養(yǎng)殖平臺(tái)的水平位移和纜索張力，同時(shí)垂向回復(fù)力減少，使得養(yǎng)殖平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值增大；與養(yǎng)殖平臺(tái)的水平位移和系泊纜張力相比，其垂蕩位移對(duì)纜索質(zhì)量變化更為敏感。本研究條件下，系泊纜3材料組合的水動(dòng)力性能最優(yōu)。

3.2 導(dǎo)纜孔位置

基于“3.1節(jié)”的結(jié)果，兼顧水平和垂向的系泊回復(fù)力，纜索材質(zhì)選用“聚酯纖維(頂鏈36 m)+鋼纜(底鏈344 m)”的組合系纜方式(系泊纜3)，系泊纜采用4組×2根/組的形式，組內(nèi)纜間角為45°，在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變導(dǎo)纜孔位置研究其對(duì)系泊養(yǎng)殖平臺(tái)水動(dòng)力特性的影響，具體工況設(shè)置如表7所示，不同導(dǎo)纜孔位置時(shí)系泊纜索形狀如圖7所示。通過(guò)時(shí)域數(shù)值模型計(jì)算得到系泊平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值及其系泊纜索張力最大值分別如表8和圖8所示。

表7 導(dǎo)纜孔位置工況Tab.7 Cases for different fairlead positions

表8 不同導(dǎo)纜孔位置時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值

圖7 不同導(dǎo)纜孔位置時(shí)系泊纜形狀Fig.7 Shape of mooring line for different fairlead positions

圖8 不同導(dǎo)纜孔位置時(shí)系泊纜張力最大值Fig.8 Maximum tension of mooring lines for different fairlead positions

從表8和圖8可見(jiàn)，當(dāng)導(dǎo)纜孔位置從邊緣浮筒底部(工況1)移動(dòng)到邊緣浮筒中部(工況2)、邊緣立柱底部(工況3)和距邊緣立柱底部1/3處(工況4)時(shí)，系泊點(diǎn)高度相對(duì)于計(jì)算水深分別增加了4.7%、8.7%和16.7%，養(yǎng)殖平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值分別減小了4.2%、7.3%和15.7%，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值分別減小了8.1%、16.2%和34.7%，縱搖運(yùn)動(dòng)幅值減小了6.7%、10.0%和20.0%，系泊纜索最大張力分別增加了20.5%、42.3%和106.1%。這表明，隨著導(dǎo)纜孔位置的不斷上移，系泊纜懸鏈段長(zhǎng)度不斷增加，水平及垂直方向的回復(fù)力增大，養(yǎng)殖平臺(tái)的縱蕩、垂蕩和縱搖方向運(yùn)動(dòng)幅值降低，系泊纜索張力增大；與養(yǎng)殖平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相比，纜索張力對(duì)導(dǎo)纜孔位置變化更為敏感。本研究條件下，綜合考慮水動(dòng)力性能和施工方便性，導(dǎo)纜孔3工況布置最優(yōu)。

3.3 組內(nèi)纜間角

纜索材質(zhì)選用系泊纜3，導(dǎo)纜孔位于邊緣立柱底部(工況3)，系泊纜采用4組×2根/組的形式，在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變纜間角研究其對(duì)系泊養(yǎng)殖平臺(tái)水動(dòng)力特性的影響。選取5種組內(nèi)纜間角計(jì)算工況(表9)，通過(guò)時(shí)域數(shù)值模型計(jì)算得到系泊平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值及其系泊纜索張力最大值如表10和圖9所示。

表9 組內(nèi)纜間角工況Tab.9 Cases for different intra-group cable angles

表10 不同纜間角時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值

圖9 不同纜間角時(shí)系泊纜張力最大值Fig.9 Maximum tension of mooring line for different intra-group cable angles

從表10和圖9可見(jiàn)，組內(nèi)纜間角從5°增加到45°時(shí)，養(yǎng)殖平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值減小了33.8%，纜索最大張力增加了5.4%，垂蕩和縱搖方向運(yùn)動(dòng)幅值變化不明顯。這表明，隨著纜間角的增大，處于迎浪側(cè)的C4和C5纜索與波浪入射方向的夾角減小，使得該方向的回復(fù)力增加，養(yǎng)殖平臺(tái)縱蕩位移減小，而處于背浪側(cè)系泊纜索C1和C8張力變化不明顯，C2、C3、C6和C7纜索與波浪入射方向夾角保持不變，其張力變化也不明顯。本研究條件下，纜間角對(duì)水動(dòng)力特性的影響不顯著。

3.4 系泊布置形式

纜索材質(zhì)選用系泊纜3，浪向角分別取0°、45°、90°。選取4種系泊布置形式：4組×2根/組、4組×3根/組、3組×2根/組、3組×3根/組，組內(nèi)纜間角分別為45°、22.5°、45°、22.5°(圖10)。通過(guò)時(shí)域數(shù)值模型計(jì)算得到養(yǎng)殖平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值及其系泊纜索張力最大值如表11和圖11所示。

表11 不同系泊布置形式下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值Tab.11 Motion amplitude of fish farm for different mooring line arrangements

圖10 系泊布置形式工況Fig.10 Cases for different mooring arrangements

圖11 不同系泊布置形式下平臺(tái)系泊纜張力最大值Fig.11 Maximum tension of mooring line for different mooring line arrangements

從表11和圖11可見(jiàn)：對(duì)于4組布置的系泊纜，當(dāng)纜索數(shù)量由8根(系泊布置1)增加到12根(系泊布置2)時(shí)，養(yǎng)殖平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)最大幅值減小了46.3%，纜索最大張力增加了4.9%，其他方向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的幅值變化不明顯；對(duì)于3組布置的系泊纜，當(dāng)纜索數(shù)量由6根(系泊布置3)增加到9根(系泊布置4)時(shí)，養(yǎng)殖平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)最大幅值減小了28%，纜索最大張力增加了0.5%，其他方向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的幅值變化不明顯。這表明，纜索垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)纜索數(shù)量變化最為敏感，這是由于纜索數(shù)量越多，其懸鏈段質(zhì)量越大，在垂蕩方向的回復(fù)力也越大，能夠有效地抑制垂蕩運(yùn)動(dòng)。本研究條件下，較大的正向垂蕩位移會(huì)引起平臺(tái)養(yǎng)殖容積損失，從養(yǎng)殖安全性角度出發(fā)，系泊布置2的形式最優(yōu)；纜索數(shù)量越多造價(jià)越高，在滿足安全性的前提下，也可以選擇系泊布置4。

4 養(yǎng)殖平臺(tái)在南海的應(yīng)用性評(píng)估

中國(guó)南海漁業(yè)資源豐富，半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)是深遠(yuǎn)海漁業(yè)資源開(kāi)發(fā)裝備之一，但南海海洋環(huán)境與挪威弗魯灣海域有較大差異，半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)能否適用于南海是需要研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。根據(jù)南海海域基本海況[11-12]，選取百年一遇和一年一遇海洋環(huán)境條件參數(shù)，以O(shè)cean Farm 1為例，開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性分析。由于半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)水線面小，故不考慮風(fēng)荷載的影響。不規(guī)則波采用JONSWAP譜，浪向角分別為0°、45°和90°，水流入射方向與波浪相同，具體海洋環(huán)境參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表12。

表12 南海海洋環(huán)境參數(shù)Tab.12 Environmental parameters of South China Sea

南海目標(biāo)養(yǎng)殖海域的水深為 100 m，考慮到百年一遇海洋環(huán)境條件較為惡劣，養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊布置形式采用4組×3根/組，纜間角為22.5°(圖10系泊布置2)，采用“聚酯纖維+鋼纜”的組合纜，纜索材料參數(shù)如表4所示。單根系泊纜長(zhǎng)度減至360 m，其中，頂鏈為100 m的聚酯纖維，底鏈為260 m的鋼纜，導(dǎo)纜孔位置和錨泊點(diǎn)水平坐標(biāo)參照表3。

4.1 自存工況

表13和表14分別給出了自存工況下半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜索張力。從表13可見(jiàn)，對(duì)于不同的浪向角，自存工況下養(yǎng)殖平臺(tái)縱(橫)蕩位移最大值和有義值分別為10.50、7.70 m，分別占水深的10.5%和7.7%；養(yǎng)殖平臺(tái)垂蕩位移最大值和有義值分別為2.48、1.38 m，小于平臺(tái)底部富裕水深(57 m)，不會(huì)發(fā)生觸底；養(yǎng)殖平臺(tái)縱(橫)搖角最大值和有義值分別為 2°和1.26°，滿足漁業(yè)養(yǎng)殖對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的要求。從表14可見(jiàn)，對(duì)于不同的浪向角，自存工況下養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊纜索最小安全系數(shù)均大于1.67，滿足中國(guó)船級(jí)社《海上浮動(dòng)設(shè)施入級(jí)規(guī)范》[13](2023版，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)的“動(dòng)力法”要求。

表13 自存工況下養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Tab.13 Statistic characteristics of motion response of fish farm under self-sustaining condition

表14 自存工況下養(yǎng)殖平臺(tái)系泊纜索最大張力

4.2 作業(yè)工況

從表15可見(jiàn)，對(duì)于不同的浪向角，作業(yè)工況下，養(yǎng)殖平臺(tái)的縱(橫)蕩位移最大值和有義值分別為1.93、1.63 m，小于水深的2%；養(yǎng)殖平臺(tái)垂蕩位移最大值和有義值分別為0.54、0.30 m，小于平臺(tái)吃水的1.5%，養(yǎng)殖容積損失率較小，且上部工作平臺(tái)不會(huì)入水(干舷高度為6 m)；養(yǎng)殖平臺(tái)縱(橫)搖角最大值和有義值分別為0.44°和0.39°，滿足漁業(yè)養(yǎng)殖對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的要求。從表16可見(jiàn)，對(duì)于不同的浪向角，作業(yè)工況下養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊纜索最大張力約為1.0×106N，遠(yuǎn)小于纜索破斷力(1.28×107N)。

表15 作業(yè)工況下養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Tab.15 Statistic characteristics of motion response of fish farm under operational condition

表16 作業(yè)工況下養(yǎng)殖平臺(tái)系泊纜索最大張力

5 討論

5.1 不同系泊參數(shù)下養(yǎng)殖平臺(tái)的水動(dòng)力特性

系泊系統(tǒng)是影響半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)水動(dòng)力特性的關(guān)鍵因素之一，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易導(dǎo)致斷纜事故或浮體運(yùn)動(dòng)量過(guò)大。本研究表明，與鋼纜和鋼鏈相比，聚酯纜質(zhì)量輕、彈性大，能夠有效降低系泊纜張力，這一結(jié)果與王領(lǐng)等[14]針對(duì)深水大型浮臺(tái)系泊系統(tǒng)的研究結(jié)果一致；隨著導(dǎo)纜孔與養(yǎng)殖平臺(tái)底部距離的增加，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值降低，系泊纜索張力增大，這一規(guī)律在穆安樂(lè)等[15]關(guān)于漂浮式風(fēng)力機(jī)的研究中也被發(fā)現(xiàn)；系泊纜組內(nèi)纜間角的變化對(duì)平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有一定影響，但對(duì)其他方向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力幾乎無(wú)影響；隨著系泊纜索數(shù)量增加，養(yǎng)殖平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)減小，平臺(tái)的系泊性能變好，但系泊系統(tǒng)成本有所增加[16]。因此，在設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)建議選擇輕質(zhì)纜繩作為頂鏈，并降低導(dǎo)纜孔位置，增加纜索數(shù)量，以保證養(yǎng)殖平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性。

5.2 不同工況下養(yǎng)殖平臺(tái)在南海的應(yīng)用性評(píng)估

目前，《規(guī)范》[13]對(duì)養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊纜索張力安全系數(shù)給出了具體限值。本研究中，針對(duì)南海養(yǎng)殖海域自存和作業(yè)兩種工況下系泊平臺(tái)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在不同工況下系泊纜最大張力均滿足要求。《規(guī)范》[13]對(duì)浮式養(yǎng)殖平臺(tái)的偏移量并未給出具體限值，但需考慮設(shè)備限制和間距要求。當(dāng)養(yǎng)殖海域布置多個(gè)養(yǎng)殖平臺(tái)時(shí)，為避免發(fā)生碰撞，平臺(tái)間應(yīng)根據(jù)水平偏移量設(shè)置最小間距；在自存和作業(yè)工況下，平臺(tái)垂向偏移量的限值應(yīng)考慮干舷高度和富裕水深，避免發(fā)生工作平臺(tái)入水和平臺(tái)觸底等事故。

6 結(jié)論

1)選用輕質(zhì)頂鏈可以減小系泊纜索張力和平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)量；降低導(dǎo)纜孔位置可以減小平臺(tái)各方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，但系泊纜索張力增加更為明顯；纜間角越大，水平位移越小，對(duì)垂蕩位移、搖蕩角度和系泊纜張力影響越不顯著；增加系泊纜數(shù)量可以有效抑制平臺(tái)的垂蕩位移，但系泊纜張力有所增加。

2)對(duì)于南海百年一遇的自存工況，本研究中設(shè)計(jì)的系泊纜安全系數(shù)均大于1.67，平臺(tái)垂蕩位移小于平臺(tái)底部富裕水深，滿足平臺(tái)安全定位要求；對(duì)于南海一年一遇的作業(yè)工況，平臺(tái)垂蕩位移小于吃水的1.5%，上部工作平臺(tái)不會(huì)入水，且不會(huì)造成養(yǎng)殖容積損失。因此，本研究中選用的半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)系泊系統(tǒng)，能夠較好地適應(yīng)南海實(shí)際海況，保證平臺(tái)的穩(wěn)定性與安全性。