球形波浪浮標運動性能分析

王麗元，唐友剛，何 堃，白 強

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

球形波浪浮標運動性能分析

王麗元1，唐友剛1，何 堃1，白 強2

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

研究球形波浪浮標風、浪、流作用下的運動響應和系泊張力。利用SESAM軟件建立球型浮標有限元模型。采用三維勢流理論計算波浪力，得到一系列規則波作用下，不同水深時球形浮標的運動響應。同時計算球形浮標在隨機波浪的作用下的時域運動響應。經過計算分析，得到了浮標的幅頻響應以及隨機波作用下的運動特點，給出了不同水深和波高下系泊錨鏈的張力。

球形浮標；幅頻響應；隨機運動；錨鏈張力

球形浮標廣泛應用于在沿海水域測量海浪的變化，浮標在風浪流作用下的運動狀態直接影響波浪測量數據的可靠性[1]。因此需要合理地分析預報浮標運動性能，掌握浮標工作海況下的運動性能，以及極端海況下的生存能力，為保證浮標的安全提供技術支持。浮標水中結構球體部分屬于大尺度結構，需要考慮波浪的入射和繞射效應計算，系泊部分纜索屬于小尺度結構，采用Morsion公式計算[2]。此外，浮標運動過程中發生慢漂運動，所以還需要考慮浮標的二階慢漂阻尼力[3]。繆泉明等采用勢流計算了規則波中蝶形浮標的運動響應[4]，駱寒冰等進行了規則波中浮標的試驗研究[5]。目前對于考慮二階力及隨機波影響的浮標運動研究比較少。本文采用DNV開發的SESAM軟件HydroD模塊進行頻域分析[6]，考慮二階力采用DeepC模塊進行時域隨機分析[7]。計算得到了浮標的幅頻運動曲線RAOs以及隨機波下的運動和錨鏈張力的變化規律。

1 球形浮標主要技術參數

本文計算的球形浮標用途為測量波高。浮標結構如圖1所示，其主要參數如表1所示。

系泊系統系泊索為混合結構，系泊索上部為錨鏈，下部為橡膠繩，海底部分為錨鏈。

2 計算模型

表1 浮標技術參數

圖1 浮標結構示意圖

在水動力計算軟件SESAM中建立Panel模型，坐標系如圖2所示，X軸水平向右，Z軸豎直向上，Y軸垂直紙面向外。在模擬時，用三節點和四節點的板單元，建立浮標的面板模型，球形浮標單元劃分如圖3所示。系泊線按照不同段系泊線的材料特性和幾何尺度輸入。

圖2 球形浮標坐標系

圖3 球形浮標水動力建模

將水動力模型導入到HydroD中，計算球形浮標在一系列規則波作用下的響應，并用Postresp子程序進行后處理，得到波浪載荷和運動響應的傳遞函數曲線RAOs。計算水深為20～60 m，間隔為10 m。下面以20 m水深為例，給出浮標運動RAOs曲線及水動力參數，如圖4～圖6所示。

圖4 球形浮標六自由度RAOs曲線

3 自由浮標運動響應

圖5 球形浮標6個自由度的附加質量

圖6 球形浮標6個自由度的輻射阻尼系數

分析得到上述頻域計算結果，利用SESAM軟件DeepC模塊計算浮標在隨機波浪作用下的運動響應。本節僅考慮波浪作用，計算浮標的時域運動響應。由于浮標單點系泊，波浪二階力對其運動影響很大，計算中，設置了波浪二階阻尼[8]。本文波浪譜選擇Jonswap3譜，波浪方向為X軸負向。對應海況參數如表2所示。

同樣，以20 m水深為例，計算得到的浮標運動響應計算結果以及錨鏈中的張力如圖7～圖9所示。因浮標搖擺和升沉運動對浮標性能有很大影響，所以文中只給出縱搖和升沉運動響應。

至此，文中計算得到了球形浮標在各種水深、各種海況下的運動時程曲線。根據浮體在波浪上的運動理論[9]，浮體在隨機波運動的過程中最可能出現的運動幅值為：

即程序輸出的均方根為浮標運動過程中最可能出現的運動幅值。

浮標運動的平均幅值為：

1 /3 有義運動幅值為：

根據計算結果，用二次多項式擬合，由式（2）和式（3）可知，浮標運動響應的平均幅值和1/3有義運動幅值成線性比例關系，所以這里給出不同水深下縱搖和垂蕩運動平均幅值隨波高變化的曲線，如圖10～圖11所示。

圖7 波浪作用下縱搖時間歷程曲線

圖8 波浪作用下垂蕩時間歷程曲線

圖9 波浪作用下錨鏈張力時間歷程曲線

表2 海況參數

圖10 平均縱搖幅值隨波高變化

接下來計算球形浮標在生存狀態下的運動響應及錨鏈中張力歷程曲線。生存狀態考慮流和風對球形浮標的作用。波浪譜取Jonswap3譜，流速取2.0 m/s，風速取30 m/s。風、浪、流的方向相同，均為X軸負向。以20 m水深為例，計算結果如圖12～圖14所示。

圖12 生存狀態下縱搖時間歷程曲線

圖13 生存狀態下垂蕩時間歷程曲線

圖14 生存狀態下錨鏈張力時間歷程曲線

生存狀態歷程圖說明，在有風、流作用時，浮標發生傾斜，獲得新的平衡位置，在此平衡位置，浮標在波浪作用下做搖擺和升沉運動。

4 結論

（1）隨著波高的增加，浮標的運動響應變大，纜繩張力也隨之變大；

（2）球形浮標在生存狀態下的運動響應由于風流影響，運動響應和纜繩張力增大；

（3）隨著水深的增加，浮標的運動響應變小；

（4）在風流作用下，浮標產生傾斜角，由于波浪作用，浮標以傾斜位置為平衡做搖擺和升沉運動。

依據上述結論和球形浮標實際運動響應大小，調整球形浮標相應的設計參數，可以減小球形浮標的運動響應，為設計浮標和改進浮標提出相應的理論依據。

[1]顧鵬，董艷秋，唐友剛.浮標橫搖傾角的改進計算方法[J].中國海上油氣，2001，13(4)：10-13．

[2]唐友剛，沈國光，劉利琴.海洋工程結構動力學[M].天津∶天津大學出版社，2008．

[3]黃祥鹿，陸鑫森.海洋工程流體力學及結構動力響應[M].上海∶上海交通大學出版社，1992．

[4]繆泉明，顧民，楊占明，等.極限海況下浮標運動及錨鏈受力估算[J].船舶力學，2003，7(5)：21-27．

[5]駱寒冰，林維學，楊永春，等．規則波中浮標運動及錨鏈受力的試驗研究[C]//第四屆船舶與海洋工程學術會議論文集,2010∶494-497.

[6]DNV.SESAM User Manual HydroD Version 4.0，2008．

[7]DNV.SESAM User Manual DeepC Theory Version 3.0，2005．

[8]朱新穎，黃祥鹿.深海錨泊浮標的二階動力分析[J].海洋工程，2000，18(2)：74-78．

[9]李積德.船舶耐波性[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1992．

Analysis of the Motion Performance of a Spherical Wave Buoy

WANG Li-yuan1,TANG You-gang1,HE Kun1,BAI Qiang2
(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Institute of Marine Instrument and Meter,Academy of Shan Dong Province,Qingdao Shandong 266001,China)

The motion responses of the spherical wave buoy and the tension of the mooring line were investigated under the wind,wave,and the flow.The finite element model of a spherical buoy was set up by SESAM.The theory of three-dimensional potential flow was used to calculate the wave force,and the dynamic responses of the spherical buoy were also calculated in different water depths under a series of regular waves.Then the motion responses of the spherical buoy were calculated under random wave in time domain.After being calculated and researched,the RAOs of the buoy and the motion characteristics of buoy in random waves were obtained.Then the tensions of the mooring line were presented in different water-depths and wave heights．

spherical buoy;RAOs;random motion;tension of the mooring line

P715.2

B

1003-2029（2012）04-0009-05

2012-02-20

天津市應用基礎及前沿技術研究計劃資助項目(11JCYBJC07300)；教育部高等學校博士點基金資助項目(20110032110041)；國家自然科學基金創新研究群體科學基金資助項目(51021004)

王麗元(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向為海洋工程結構動力學。Email：wangliyuan_tju@126.com

唐友剛(1952-)，男，教授，博士生導師。Email：tangyougang_td@163.com