大型框架式漁業(yè)平臺(tái)水動(dòng)力分析及其系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

俞 俊，程小明，張 凱，倪歆韻，苗玉基，劉小龍

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引 言

近海區(qū)的過度捕撈以及污染排放造成的富營(yíng)養(yǎng)化，致使多數(shù)臨海國(guó)家的近海漁業(yè)資源顯著減少。漁業(yè)模式正從傳統(tǒng)的海洋捕撈為主逐步向捕撈與養(yǎng)殖相結(jié)合轉(zhuǎn)變，利用遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖技術(shù)開發(fā)漁業(yè)資源，已成為海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向。漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)[1-2]是人工養(yǎng)殖魚類的新型裝備，在海上不可避免會(huì)受到來自波浪和海流的共同作用，由此產(chǎn)生對(duì)平臺(tái)主體以及漁網(wǎng)面的復(fù)雜組合載荷作用，從而容易使得平臺(tái)發(fā)生傾覆乃至系泊纜失效而失去定位功能。

傳統(tǒng)網(wǎng)箱[1-2]通常是柔性的，但柔性和可變形的支撐結(jié)構(gòu)很難承受來自海浪、風(fēng)和流的巨大載荷。大部分使用的柔性網(wǎng)箱都可以歸類為重力式網(wǎng)箱，這些網(wǎng)箱由一個(gè)表面環(huán)結(jié)構(gòu)作為保持架，一張網(wǎng)懸掛在水柱中，底部懸掛重物以保持網(wǎng)箱的形態(tài)。高強(qiáng)度聚乙烯（HDPE）網(wǎng)箱是最廣泛使用的重力式網(wǎng)箱[3]，被認(rèn)為是波浪柔順的，即它隨波浪而彎曲，而不是保持剛性。

近年來，由于不斷向外海拓展[4]，網(wǎng)箱設(shè)計(jì)出現(xiàn)了以下發(fā)展趨勢(shì)：使用更剛性和堅(jiān)固的框架，以承受強(qiáng)風(fēng)浪作用。大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的特點(diǎn)是利用立柱及橫斜撐將網(wǎng)衣支成固定的形狀，使其有效養(yǎng)殖容積基本保持不變，即使在強(qiáng)風(fēng)浪流情況下也不會(huì)造成容積損失。到目前為止，越來越多的學(xué)者對(duì)波浪和海流下的半潛式近海漁場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，集中在水動(dòng)力特性、波浪激勵(lì)和系泊載荷方面，極大地促進(jìn)了對(duì)環(huán)境載荷和大型框架網(wǎng)箱平臺(tái)之間相互作用的力學(xué)理解。Dou[5]研究了主尺度為110 m 的剛性半潛式漁場(chǎng)Ocean Farm 1，在GeniE 中建立了Ocean Farm 1 的有限元模型，在hydrod 中完成了水動(dòng)力計(jì)算，將水動(dòng)力結(jié)果輸入SIMA 進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)計(jì)算；Zhao 等[6]通過一系列物理模型試驗(yàn)，研究了剛性半潛式漁場(chǎng)Ocean Farm 1的水動(dòng)力性能，采用的主尺度直徑為120 m，系泊系統(tǒng)由四條360 m長(zhǎng)的系泊纜組成，水深為120 m，針對(duì)三個(gè)不同吃水，測(cè)量了漁場(chǎng)波浪作用下的系纜張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；Shi[7]參照近海養(yǎng)魚場(chǎng)Ocean Farm 1設(shè)計(jì)了剛性框架式漁業(yè)平臺(tái)，結(jié)合我國(guó)的海洋條件，采用WADAM、WASIM、SIMO 等數(shù)值模擬程序分析了其動(dòng)力響應(yīng)；Jin 等[8]在SIMA 環(huán)境中使用WAMIT、SIMO 和RIFLEX建立了帶系泊系統(tǒng)的Ocean Farm 1數(shù)值模型，并進(jìn)行了時(shí)域模擬；Palczynski[9]在波浪水池中完成了矩形剛性平臺(tái)和中央立柱式Sea Station平臺(tái)的縮比模型測(cè)試，確定了兩個(gè)不同的養(yǎng)殖平臺(tái)模型的運(yùn)動(dòng)和載荷；Yua 等[10-11]設(shè)計(jì)了一型底部有七個(gè)方形浮筒的剛性半潛式養(yǎng)殖平臺(tái)，分析了不同條件下前后位置系泊張力的變化趨勢(shì)和波動(dòng)范圍，探討了瞬時(shí)幅值峰值出現(xiàn)的原因。

不同于一般的浮式結(jié)構(gòu)物，漁業(yè)平臺(tái)最重要的是保證養(yǎng)殖魚類的健康。離岸網(wǎng)箱系統(tǒng)需要能夠承受連續(xù)的海浪、洋流和風(fēng)暴，理論上可以設(shè)計(jì)出永不損壞的系泊系統(tǒng)，但是養(yǎng)殖的魚類可能先于系泊系統(tǒng)而失效，網(wǎng)衣也可能先于系泊系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)破魚逃的現(xiàn)象，因此漁業(yè)平臺(tái)的系統(tǒng)剛度不能過大。

本文對(duì)直徑110 m 的大型框架式漁業(yè)平臺(tái)及系泊系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算分析和評(píng)估。一方面針對(duì)莫里森公式在大入射角下基于橫流原理的阻力模型不合理現(xiàn)象，提出基于三個(gè)方向的等效水動(dòng)力系數(shù)來模擬漁網(wǎng)遮蔽效應(yīng)的大型漁業(yè)平臺(tái)復(fù)雜水動(dòng)力分析方法，建立模擬大型框架式漁業(yè)平臺(tái)水動(dòng)力特性的工程評(píng)估模型；另一方面設(shè)計(jì)具有不同彈性特性的系泊材料組合，能夠同時(shí)減少網(wǎng)箱受力和減小系泊恢復(fù)力的系泊布局，通過時(shí)域評(píng)估分析驗(yàn)證方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性。

1 物理模型

1.1 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)參數(shù)

漁業(yè)平臺(tái)如圖1所示，俯視呈正六邊形，外接圓直徑為110 m，主體框架由不同規(guī)格的桿件和浮筒構(gòu)成，六個(gè)頂點(diǎn)和平臺(tái)中心處的圓柱直徑為3.6 m，頂點(diǎn)連線中心處的圓柱直徑為2.8 m，此外還有十二根直徑為1 m的斜撐，詳細(xì)參數(shù)見表1。平臺(tái)底部有兩個(gè)長(zhǎng)度為65 m、底面直徑為9.3 m的圓柱形大浮筒提供主要的浮力，兩個(gè)浮筒的浮力共計(jì)8830 t，水線面處為直立或者傾斜的圓柱桿，總面積較小，共計(jì)120 m2，由此可見整個(gè)平臺(tái)的垂蕩、橫搖、縱搖的自然周期將大于常規(guī)的海洋平臺(tái)。大型框架式漁業(yè)平臺(tái)布放在水深為63 m 的較淺海域，淺水效應(yīng)使平臺(tái)所受波浪特別是長(zhǎng)波的影響較大，作業(yè)工況時(shí)網(wǎng)箱內(nèi)有23萬方的水體養(yǎng)魚。

圖1 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)主體框架Fig.1 Main frame of huge-framed offshore aquaculture platforms

表1 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)主尺度參數(shù)Tab.1 Main parameters of huge-framed offshore aquaculture platforms

大型框架式漁業(yè)平臺(tái)外圍覆蓋著合成纖維材料制成的漁網(wǎng)，網(wǎng)線中含有鋼絲，漁網(wǎng)原型參數(shù)見表2。

表2 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的漁網(wǎng)參數(shù)Tab.2 Net parameters of huge-framed offshore aquaculture platforms

1.2 海洋環(huán)境

大型框架式漁業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)有作業(yè)工況和自存工況，波浪采用JONSWAP 波譜描述，詳細(xì)海洋環(huán)境參數(shù)見表3。

表3 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)海洋環(huán)境條件Tab.3 Designed ocean environmental of aquaculture platforms

2 水動(dòng)力模型建立及計(jì)算方法

2.1 計(jì)算理論

采用三維線性勢(shì)流理論計(jì)算大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的水動(dòng)力載荷與響應(yīng)，將流場(chǎng)中總的速度勢(shì)Φ分解為入射勢(shì)ΦI、繞射勢(shì)ΦD和輻射勢(shì)ΦR。假定浮式結(jié)構(gòu)物在平衡位置周圍作微幅的簡(jiǎn)諧振蕩，則速度勢(shì)可分解成空間速度勢(shì)和時(shí)間因子的乘積，這樣便可以轉(zhuǎn)化為求解定常運(yùn)動(dòng)問題。大型框架式漁業(yè)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)均由細(xì)長(zhǎng)桿形部件構(gòu)成，細(xì)長(zhǎng)桿與波長(zhǎng)相比尺度較小，故可以采用莫里森方程計(jì)算其波浪力。大型框架式漁業(yè)平臺(tái)大部分形式的結(jié)構(gòu)可用圓形截面Morison單元模擬，由于桿單元會(huì)因水流和波浪的存在而移動(dòng)，因此分別利用桿單元和流體速度之間的相對(duì)加速度和速度來計(jì)算慣性和阻力載荷，本文采用基于三維勢(shì)流理論的AQWA 軟件進(jìn)行數(shù)值分析。對(duì)非圓形截面的桿件采用截面等價(jià)后的等體積圓形截面Morison單元替代。

Morison單元單位長(zhǎng)度垂直于桿件方向的水動(dòng)力[12-13]為

式中，D為桿件的特征直徑，uf為垂直桿件方向的流體質(zhì)點(diǎn)速度，us為垂直桿件方向結(jié)構(gòu)自身的運(yùn)動(dòng)速度，A為桿件截面面積，ρ為流體的密度，Cm為慣性力系數(shù)，Cd為阻力系數(shù)。

大型框架式漁業(yè)平臺(tái)四周及底部懸掛的漁網(wǎng)由合成纖維纜繩編織而成，穿插掛于鋼絲繩上，鋼絲繩均布固定在主體框架的桿件上并施加一定的預(yù)張力，這使得漁網(wǎng)的變形實(shí)際很有限。對(duì)大型框架網(wǎng)箱平臺(tái)所受到的粘性力，尤其是網(wǎng)衣所受到的粘性力，目前還沒有發(fā)展出統(tǒng)一的數(shù)值模型。對(duì)于這個(gè)問題，專家學(xué)者們進(jìn)行了大量的分析研究。2003年Lader等[14]建立了三維網(wǎng)結(jié)構(gòu)在波浪和水流作用下的水動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了圓柱形網(wǎng)下該模型的有效性；2012 年Kristiansen 等[15]假設(shè)網(wǎng)被分成許多平面的網(wǎng)面板，提出了網(wǎng)的粘性水動(dòng)力載荷屏模型，可以應(yīng)用于任意幾何形狀的網(wǎng)，不過所研究的平臺(tái)底部沒有加網(wǎng)衣；2012年Chen等[16]基于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和集中質(zhì)量法，建立了波浪作用下兩網(wǎng)箱的網(wǎng)格系泊系統(tǒng)數(shù)值模型；2013 年Klebert 等[17]認(rèn)為養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)外流體動(dòng)力受網(wǎng)箱模型尺度的影響；2014 年Cifuentes 等[18]研究了帶系泊索、浮標(biāo)、喂料船和網(wǎng)箱的近海水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)在波浪和水流作用下的動(dòng)力響應(yīng)；2014 年Fredriksson 等[19]采用有限元模型對(duì)網(wǎng)箱系統(tǒng)進(jìn)行了模擬；2015 年Kristiansen 等[20]對(duì)一個(gè)直徑37.5 m的漁業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)了八根纜繩的系泊系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值分析和模型試驗(yàn)研究，然而，作者研究中也假設(shè)底部沒有網(wǎng)；2016年Chen等[21]提出了一種基于莫里森模型荷載轉(zhuǎn)換的計(jì)算多孔阻力系數(shù)的新方法，并通過平面網(wǎng)板和圓形網(wǎng)箱的穩(wěn)流，以及波與平面網(wǎng)板的相互作用來檢驗(yàn)數(shù)值模型的性能；2017年Chen等[22]基于多孔介質(zhì)模型和集中質(zhì)量結(jié)構(gòu)模型之間的耦合，建立了一個(gè)水流-結(jié)構(gòu)相互作用分析的網(wǎng)箱數(shù)值模型；2018年Gansel等[23]通過峽灣內(nèi)實(shí)尺度拖曳試驗(yàn)研究了網(wǎng)箱在單純流作用下的受力及變形，得出了關(guān)于不同流速下全尺寸網(wǎng)箱的流速、網(wǎng)變形和阻力相互作用的數(shù)據(jù)。

綜合而言，網(wǎng)對(duì)流過的流體的影響[18]是阻礙水的流動(dòng)，具體表現(xiàn)為網(wǎng)的下游流速減緩，以及水從側(cè)面繞到網(wǎng)的下游。目前，常用的基于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算粘性力的水動(dòng)力模型有兩種[24]，即莫里森公式[25-26]和屏模型[27]。屏模型的優(yōu)點(diǎn)在于其粘性力可以靈活地轉(zhuǎn)化為法向力和切向力分量或等價(jià)為阻力和升力分量，并且便于通過試驗(yàn)確定系數(shù)，其主要的缺點(diǎn)是在水動(dòng)力分析商業(yè)軟件中較少將該功能嵌入；莫里森公式的優(yōu)點(diǎn)在于它的簡(jiǎn)單性和廣泛應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)海洋結(jié)構(gòu)的分析，幾乎所有相關(guān)的分析工具都包括選擇這樣一個(gè)水動(dòng)力模型的選項(xiàng)，莫里森公式的缺點(diǎn)是大入射角下，基于橫流原理的阻力模型存在不合理處，即下游網(wǎng)線受到上游網(wǎng)線的“遮蔽效應(yīng)”沒有得到很好的反映。本文將基于莫里森公式來考慮網(wǎng)衣受到的粘性力，在建模階段就避免上述弊端，具體分析見下節(jié)。

2.2 漁網(wǎng)模型建立

不同于傳統(tǒng)重力式網(wǎng)箱，大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的網(wǎng)由立柱及橫斜撐支成固定的形狀且本身加有預(yù)張力，因此本文將其處理為剛性。此外，考慮到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的通透性，其采用截面等價(jià)的圓形桿件代替。針對(duì)莫里森公式在大入射角下阻力模型不合理問題[18-29]，本文將通過三個(gè)方向的等效水動(dòng)力系數(shù)來模擬所有來流方向的漁網(wǎng)水動(dòng)力，并通過后側(cè)水動(dòng)力系數(shù)的折減考慮漁網(wǎng)的部分遮蔽效應(yīng)，即平行于網(wǎng)面方向的遮蔽效應(yīng)。模擬時(shí)作以下兩點(diǎn)假設(shè)：（1）網(wǎng)完全剛性；（2）對(duì)波浪無耗散作用。通過計(jì)算獲得單位面積上的等效參數(shù)，采用Morison單元模擬波浪力及阻尼，獲得的模型參數(shù)見表4。由此建立網(wǎng)箱的等效幾何模型，如圖2和圖3所示。該模型增添了垂直于網(wǎng)面的、沿著Z方向的莫里森小桿件，便于模擬實(shí)際情況中各個(gè)方向的來流來浪。

圖2 網(wǎng)箱模型局部示意圖Fig.2 Morison model of aquaculture net

圖3 網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Numerical model of cage structure

漁網(wǎng)所受的阻力為

式中，Cdxw和Cdzw是實(shí)際網(wǎng)箱的阻力系數(shù)，lx是實(shí)際單位面積網(wǎng)衣在X方向的長(zhǎng)度，lz是單位面積網(wǎng)衣在Z方向的長(zhǎng)度，dw是實(shí)際網(wǎng)衣的直徑。對(duì)于同一片網(wǎng)衣，考慮遮蔽效應(yīng)，沿著網(wǎng)面的阻力系數(shù)Cdxw取值0.6，垂直于網(wǎng)面的阻力系數(shù)Cdzw取值1.0[28]。此外，鑒于兩片平行網(wǎng)衣的距離達(dá)到百米級(jí)，因此不考慮不同網(wǎng)衣之間的遮蔽效應(yīng)。

莫里森單元上的阻力為

式中，Cdxm、Cdzm是莫里森單元中的等效阻力系數(shù)，lxm是單位面積莫里森單元在X方向的長(zhǎng)度，lzm是單位面積莫里森單元在Z方向的長(zhǎng)度，dm是莫里森單元的直徑。

根據(jù)實(shí)際情況與模型中的阻力值相等，求得

再計(jì)算等效慣性力系數(shù)。實(shí)際漁網(wǎng)所受的慣性力為

式中，Caxw、Caxw是網(wǎng)箱的實(shí)際慣性力系數(shù)，Vdxw是單位面積網(wǎng)衣在X方向的投影體積。對(duì)于同一片網(wǎng)衣，考慮遮蔽效應(yīng)，沿著網(wǎng)面的阻力系數(shù)Caxw取值0.5，垂直于網(wǎng)面的阻力系數(shù)Cdzw取值1.0[31]，莫里森單元等效漁網(wǎng)所受的慣性力為

式中，Caxm、Cazm是莫里森單元中的等效慣性力系數(shù)，Vdxm是單位面積莫里森單元在X方向的投影體積，Vdym是單位面積莫里森單元在Y方向的投影體積，Vdzm是單位面積莫里森單元在Z方向的投影體積。

根據(jù)實(shí)際情況與模型中的慣性力值相等，求得

2.3 漁業(yè)平臺(tái)整體模型

通過大型框架式漁業(yè)平臺(tái)主體框架水動(dòng)力模型建立方法以及漁網(wǎng)水動(dòng)力模型建立方法，完成整個(gè)大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的水動(dòng)力模型建立，如圖4 所示。模型布置沿X軸呈軸對(duì)稱，定義X軸正向?yàn)槠脚_(tái)艏部，Y軸正向指向左舷，Z軸在大型框架式漁業(yè)平臺(tái)中心處指向上方，XY平面上與平臺(tái)底部重合，YZ平面位于中橫剖面處。浪向定義：0°為隨浪，180°為頂浪。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范[31]以及上一節(jié)的等效漁網(wǎng)水動(dòng)力模型系數(shù)，各類桿件的阻力系數(shù)Cd及附加質(zhì)量系數(shù)Ca取值如表5所示。

圖4 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的水動(dòng)力模型Fig.4 Hydrodynamic model of aquaculture platform

表5 漁業(yè)平臺(tái)的水動(dòng)力模型參數(shù)Tab.5 Hydrodynamic coefficients of aquaculture platform

3 水動(dòng)力結(jié)果

3.1 靜水自由衰減特性

對(duì)大型框架式漁業(yè)平臺(tái)進(jìn)行靜水中自由漂浮狀態(tài)下的衰減模擬，獲取平臺(tái)固有屬性運(yùn)動(dòng)固有周期。數(shù)值計(jì)算中分別賦予平臺(tái)偏離平衡位置6.7 m 的初始垂蕩位移、15°的初始橫搖和縱搖角度，得到的作業(yè)工況自由衰減曲線如圖5 所示。曲線上相鄰兩個(gè)峰值或谷值之間的時(shí)間間隔即為平臺(tái)搖蕩運(yùn)動(dòng)固有周期，通過多個(gè)周期數(shù)據(jù)取平均值，可以得出垂蕩自然周期為29.5 s，橫搖自然周期為47.6 s，縱搖自然周期為37.5 s?？紤]到漁業(yè)平臺(tái)構(gòu)型以及水線面，橫搖和縱搖方向的恢復(fù)剛度相接近，所不同的是橫搖慣量為5.32×1010kg·m2，縱搖慣量為3.87×1010kg·m2，橫搖慣量較大，所以計(jì)算得出的橫搖自然周期比縱搖自然周期大。同樣可得生存工況垂蕩自然周期為32 s，橫搖自然周期為54.8 s，縱搖自然周期為41 s。

3.2 規(guī)則波大型框架式漁業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性

圖5 自由衰減曲線Fig.5 Free decay curve

在AQWA-NAUT 模塊對(duì)大型框架式漁業(yè)平臺(tái)進(jìn)行時(shí)域分析，采用了1 m 波幅的規(guī)則波，計(jì)算了5個(gè)浪向、34 個(gè)周期的組合工況，得到了漁業(yè)平臺(tái)垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子（RAO），圖6 展示的是作業(yè)工況大型框架式漁業(yè)平臺(tái)RAO 結(jié)果。圖6（a）表明各個(gè)浪向下垂蕩結(jié)果較為相似，峰值出現(xiàn)在30 s 左右。圖6（b）展示了各浪向下的橫搖結(jié)果曲線，隨著浪向從0°逐漸增加至90°，橫搖逐漸由0°變大，各浪向下的峰值均在50 s左右。圖6（c）展示了各浪向下的縱搖結(jié)果曲線，隨著浪向從0°逐漸增加至90°，縱搖逐漸減小為0°，各浪向下的峰值均在40 s左右。橫搖最大值在50 s出現(xiàn)，為1.1 m，縱搖最大值在40 s出現(xiàn)，為1.6 m，這是由于雙浮筒構(gòu)型橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大導(dǎo)致的，慣量越大，響應(yīng)越慢，幅值越小。

圖6 漁業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)RAOFig.6 Motion RAO of aquaculture platform

4 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)估

4.1 環(huán)境載荷模擬

大型框架式漁業(yè)平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)布置養(yǎng)殖設(shè)備，有一定的受風(fēng)面積，且距離平臺(tái)重心較遠(yuǎn)，風(fēng)傾力臂較大。本文大型框架式漁業(yè)平臺(tái)生存工況X方向的迎風(fēng)面積為621 m2，Y方向的迎風(fēng)面積為716.9 m2，所受的風(fēng)載荷風(fēng)力作用中心距結(jié)構(gòu)重心39.6 m。計(jì)算過程中給定與速度無關(guān)的風(fēng)力系數(shù)、風(fēng)力矩系數(shù)，使用過程中乘以風(fēng)速的平方可以得到具體受力情況。X方向風(fēng)力系數(shù)在0°時(shí)達(dá)到最大，Y方向風(fēng)力系數(shù)在90°時(shí)達(dá)到最大，隨著風(fēng)向變化，風(fēng)力及風(fēng)力矩系數(shù)在X、Y軸也相應(yīng)發(fā)生變化，具體參數(shù)如圖7所示。

隨機(jī)波浪參數(shù)采用短期海況譜型為JONSWAP 進(jìn)行時(shí)域分析，譜峰提升因子為2.0，波流具體參數(shù)參照表3，時(shí)域計(jì)算分析能夠模擬漁業(yè)平臺(tái)當(dāng)前風(fēng)浪流海洋條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)入前一時(shí)刻對(duì)后一時(shí)刻的影響尤其是在沖擊載荷作用下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、一階波浪力等水動(dòng)力響應(yīng)演化狀態(tài)，能更加真實(shí)地反映其在各種海況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖7 風(fēng)力系數(shù)Fig.7 Wind coefficients

4.2 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)系泊系統(tǒng)

大型框架式漁業(yè)平臺(tái)因其特殊構(gòu)型，無論風(fēng)浪流從哪個(gè)方向而來，迎流迎浪面都較大，所承受的環(huán)境力也差不多，此外大型框架式漁業(yè)平臺(tái)布置在水深較淺的63 m 處海域，屬于淺水系泊。在以上大型框架式漁業(yè)平臺(tái)水動(dòng)力分析的基礎(chǔ)上，首先考慮分布式系泊系統(tǒng)，這樣無論在哪個(gè)方向，平臺(tái)都將被牢牢地約束住，但這也將導(dǎo)致系泊錨鏈較多，成本較高，且背浪側(cè)大部分錨鏈處于較松弛狀態(tài)，浪費(fèi)資源。因此，本文最終設(shè)計(jì)了平行式復(fù)合系泊系統(tǒng)，組合采用了不同尺寸的錨鏈和合成纖維纜繩的混合式系泊方案。四組纜繩平行于Y軸，一端分別連接到四根立柱上，另一端連接在海底錨固點(diǎn)，如圖8所示。右舷從艉部到艏部纜繩編號(hào)分別是1和2，左舷從艉部到艏部纜繩編號(hào)分別是3和4。環(huán)境條件0°方向表示風(fēng)、浪、流來自負(fù)X軸方向，90°方向表示風(fēng)、浪、流來自負(fù)Y軸方向。表6 為系泊點(diǎn)位置詳細(xì)坐標(biāo)。為了使復(fù)雜系泊系統(tǒng)滿足特定環(huán)境的使用需求，需要分析錨鏈以及合成纖維纜繩的性質(zhì)和力學(xué)表現(xiàn)。通過多次優(yōu)化迭代后，得到了圖9所示的纜繩組成。

圖8 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)系泊示意圖Fig.8 Model of mooring system of aquaculture platform

圖9 纜繩組成Fig.9 Composition of mooring line

表6 大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的系泊點(diǎn)位置Tab.6 Coordinates of mooring points

纜繩的具體參數(shù)如表7所示。整個(gè)復(fù)合系泊系統(tǒng)提供了不同方向下的合適剛度，使得漁業(yè)平臺(tái)在嚴(yán)酷海洋環(huán)境下可以在位運(yùn)行。海底段選擇濕重如此大的錨鏈組合是為了避免對(duì)錨固基礎(chǔ)產(chǎn)生上拔力。因?yàn)闇\海系泊中，錨鏈的懸鏈線形態(tài)不易呈現(xiàn)，因此錨固基礎(chǔ)容易出現(xiàn)垂向上拔分力，較重的海底段錨鏈可以防止此種情況發(fā)生。

表7 單根系泊纜繩力學(xué)參數(shù)Tab.7 Detailed mechanical properties of mooring lines

賦予漁業(yè)平臺(tái)多個(gè)浪向下的不同水平面內(nèi)位移，可以得到單根錨鏈水平方向的剛度以及整個(gè)系泊系統(tǒng)的回復(fù)剛度，如圖10～11所示。結(jié)果表明，無論是觀察單根纜繩還是整個(gè)系統(tǒng)，它們均在X方向具有較小的剛度且表現(xiàn)出一定的非線性，而在Y方向具有較大的剛度。

圖11 系統(tǒng)回復(fù)力Fig.11 Horizontal stiffness curve of mooring system

4.3 系泊系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

借助軟件模塊AQWA-DRIFT 進(jìn)行系泊系統(tǒng)計(jì)算分析，得到了大型框架式漁業(yè)平臺(tái)受到的水動(dòng)力、錨鏈以及合成纖維纜繩受到的拉力。每個(gè)浪向周期下采用10個(gè)隨機(jī)波浪seed，通過3小時(shí)時(shí)域計(jì)算，得到系泊系統(tǒng)錨鏈張力的Gumbel分布計(jì)算結(jié)果。選取生存工況的計(jì)算結(jié)果，如圖12～14所示。纜繩最大張力不超過746 t。整個(gè)系泊系統(tǒng)安全系數(shù)為2.07，大于規(guī)范中要求的2.0，滿足要求。從張力結(jié)果圖中可以看出當(dāng)風(fēng)浪流來自于0°時(shí)，四根纜繩的受力大致相當(dāng)，為650 t 左右。當(dāng)風(fēng)浪流來自于90°時(shí)，纜1、2 的受力相當(dāng)，為500 t 左右，背浪側(cè)的纜3、4 基本不受力。在其余浪向下，纜1 的受力最大，纜2次之，纜3受力最小。纜繩最大張力發(fā)生在30°浪向下，此時(shí)纜1最大張力達(dá)到746 t。

圖12 8 s周期系泊張力結(jié)果Fig.12 Mooring tension results in 8 s period

圖13 10 s周期系泊張力結(jié)果Fig.13 Mooring tension results in 10 s period

考慮單纜破斷情況下整個(gè)系泊系統(tǒng)的安全性，纜繩1 所受的張力較大，對(duì)纜1 進(jìn)行破斷分析。首先分析聚酯纜繩破斷一股的情形，由于聚酯纜繩采用環(huán)繞的方式連接，故此一旦破斷，相當(dāng)于兩根聚酯纜繩失效，纜1 的破斷力下降一半為7.7×107N，剛度也降低。因?yàn)樗母挡蠢|的剛度差異（剛度由5.225×107N 降為2.624×107N），系泊系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上不對(duì)稱，因此在0°浪向下四根纜繩張力差異較大。所得的系纜力時(shí)域結(jié)果如圖15所示。此時(shí)纜2受力最大達(dá)到824 t，安全系數(shù)為1.87，纜1 受力最大505 t，安全系數(shù)為1.52，大于規(guī)范中要求的1.46，符合要求。接著分析中間段錨鏈破斷一股的情形，纜1 的破斷力下降一半為1.088×107N，剛度由5.225×107N 降為5.199×107N，變化不大。計(jì)算結(jié)果如圖16 所示，此時(shí)纜1 最大受力為744 t，安全系數(shù)為1.463，符合規(guī)范要求。

圖14 12 s周期系泊張力結(jié)果Fig.14 Mooring tension results in 12 s period

圖15 單股聚酯破斷系泊張力結(jié)果Fig.15 Mooring tension results with one strand polyester break

圖16 單股錨鏈破斷系泊張力結(jié)果Fig.16 Mooring tension results with one strand chain break

4.4 系泊系統(tǒng)造價(jià)評(píng)估

對(duì)整個(gè)系泊系統(tǒng)造價(jià)進(jìn)行初步評(píng)估，得到的總價(jià)大致為833.77 萬元，詳見表8。整個(gè)系泊系統(tǒng)有較低的成本，具有經(jīng)濟(jì)適用性，可在實(shí)際工程應(yīng)用中使用。

表8 系泊系統(tǒng)造價(jià)Tab.8 Cost of mooring system

5 結(jié) 論

本文對(duì)直徑110 m 的大型框架式漁業(yè)平臺(tái)進(jìn)行了水動(dòng)力評(píng)估，并進(jìn)行了系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過平行于網(wǎng)面的遮蔽效應(yīng)和參數(shù)等效，基于三個(gè)方向的等效圓形截面Morison 單元，建立了模擬所有來流方向的漁網(wǎng)數(shù)值分析模型；結(jié)合主體框架數(shù)值模型最終建立了漁業(yè)平臺(tái)整體的工程評(píng)估水動(dòng)力模型；通過時(shí)域評(píng)估分析驗(yàn)證了方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性。本文的方法能快速計(jì)算網(wǎng)箱的水動(dòng)力，可為設(shè)計(jì)階段分析評(píng)估漁業(yè)平臺(tái)在位運(yùn)行時(shí)的水動(dòng)力性能提供有效手段。通過計(jì)算分析，獲得了以下結(jié)論：

（1）大型框架式漁業(yè)平臺(tái)的自然周期較大，主要由兩方面的原因引起，一方面是其濕表面較小，另一方面是其大面積的網(wǎng)具有較大的粘滯效應(yīng)。

（2）漁業(yè)平臺(tái)在位運(yùn)行時(shí)所受到的波浪力較大，尤其生存工況時(shí)有義波高達(dá)到5.0 m，流速達(dá)到1.5 m/s，海況較為惡劣，波流聯(lián)合作用下水質(zhì)點(diǎn)與莫里森單元之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大，使得整個(gè)平臺(tái)受到較大的水動(dòng)力。因此，本文設(shè)計(jì)了采用兩側(cè)共四股錨鏈的平行布局系泊系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是錨鏈載荷共享程度較高，可以明顯降低每股錨鏈的極限載荷，從而降低系泊系統(tǒng)包括錨固基礎(chǔ)的建設(shè)成本。針對(duì)該系泊系統(tǒng)的造價(jià)評(píng)估表明其具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（3）時(shí)域計(jì)算分析了系泊系統(tǒng)在不同浪向角下系纜的張力值，結(jié)果表明合成纖維纜繩較小的剛度給予了大型框架式漁業(yè)平臺(tái)一定的運(yùn)動(dòng)幅度，使得大型框架式漁業(yè)平臺(tái)所受到的水動(dòng)力在多根纜繩上分布較為均勻，降低了極個(gè)別纜繩張力的峰值。纜繩完好狀態(tài)下纜繩安全系數(shù)大于2.0，單纜破斷情況下纜繩安全系數(shù)大于1.46，滿足規(guī)范要求。這些結(jié)果可為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)。