新型超大型浮式海上基地消浪室方案試驗研究

寇雨豐，肖龍飛，劉建輝，楊立軍

（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津300451；3.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240）

新型超大型浮式海上基地消浪室方案試驗研究

寇雨豐1，3，肖龍飛1，3，劉建輝2，楊立軍1，3

（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津300451；3.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240）

新型超大型浮式海上基地（VLFOB）設計采用了由兩層直立開孔式消浪墻組成的消浪室結構。根據內、外消浪墻開孔率的不同，提出6組消浪室方案。通過模型試驗研究，對比分析不同消浪室方案下的消波效率和VLFOB水動力性能，結果表明：一般地，消浪室開孔率越小，消波效率越高，VLFOB的縱蕩幅值和系泊力越大，單體間連接載荷相對較大；相同消浪室方案下，入射波能級提高使得消波效率降低；采用內外開孔率分別為0.16和0.24的消浪室方案，不僅消波效率較高，而且單體間的連接載荷也較小。

超大型浮式結構物；海上基地；消浪室；模型試驗

0 引 言

我國南海深水海域資源豐富，但遠離大陸，環境惡劣。研制新型深遠海超大型浮式海上基地（VL-FOB），將有助于解決物資儲存、后勤補給、工程船避風靠泊、人員設備安全保障等諸多困難。

在超大型浮式結構物（VLFS）的研究和設計中，消波結構因能降低VLFS的水彈性響應、提高VLFS的環境適應性而受到重視[1]。日本提出的箱型VLFS（Megafloat）在應用于環境較惡劣的海域時須設置消波堤[2]；新加坡JTC公司所提出的海上浮式儲油設備方案周圍也設置了浮式箱型消波堤[3]。這些消波結構都設置在VLFS的外圍，起到降低透射波浪能量的作用。

新型VLFOB為環形結構，為了降低內部的波浪能量、實現供工程船避風靠泊的港灣功能，采用了安裝于VLFOB上的特殊消浪室結構，其由兩層環形直立開孔式消浪墻組成[4-6]。從Jarlan[7]于1961年創新性地提出了開孔沉箱式消浪墻，這類直立開孔式消浪結構被廣泛研究。Wang[8]研究證實：固定的雙層直立開孔板及其間水體能有效降低波浪的反射和透射，對于給定頻率的入射波，通過調整板間距可同時有效降低反射和透射能量。汪宏等[9]研究認為固定的雙層直立開孔板結構的透射系數與波陡、板間距、水深和開孔率有關，對于同一周期和波高，透射系數隨著開孔率的增大而增大。朱大同[10]對影響雙層開孔板沉箱防波堤的反射系數的諸多因子進行了研究，其中一個重要結論是前板開孔率小于后板時雙層開孔板沉箱不能有效改善消波效果，其作用幾乎與單層開孔板沉箱相同。對于柔性直立開孔板，其消波性能還與結構剛度有著重要關系[11]。基于防波堤剛性垂直薄壁、空間固定、有限水深的假定，程建生等[12]對圓弧型浮式多孔介質防波堤波浪繞射問題進行的解析研究表明：該防波堤的防浪效果與入射波波長、防波堤的垂向深度和孔隙率、掩護區域的位置密切相關；其中，孔隙率越大、防浪效果越差。Huang等[13]研究發現在浮式箱型消波堤的底部安裝豎直開孔板能有效降低透射波浪的能量，對于長周期入射波更為顯著。盡管在海岸工程領域有大量的應用和研究，但對于帶有消浪功能的浮式海洋平臺及VLFS卻少有報道。

作為VLFOB的重要組成部分，消浪室結構不僅發揮消波作用以降低VLFOB內部水域波高，同時也會對VLFOB的運動和波浪載荷產生很大影響。針對消浪室的設計和選型問題，本文借鑒前述研究成果，設計提出采用不同開孔率組合的6組消浪室方案，通過水池模型試驗，對比研究各組消浪室的消波性能，及其對VLFOB運動響應、系泊載荷和連接載荷的影響，并分析推薦目標消浪室方案。

1 消浪室方案

新型VLFOB是由8座相同的新型單體模塊相互連接而形成的環形結構，外圍直徑達到400 m，型深為185 m，設計吃水為150 m，不僅能儲存大量的物資、安置大量的人員，而且對惡劣環境具有較好的適應性，見圖1。其單體模塊由上、下水平箱體結構和立柱連接而成，立柱內、外側分別設置內、外消浪墻，組成消浪室結構，以減小VLFOB內部水域波浪能級，為工程船在VLFOB內部的靠泊創造條件，見圖2。

圖1 新型超大型浮式海上基地Fig.1 New concept VLFOB

圖2 單體模塊Fig.2 Single module

對于開孔式消波結構，開孔率是影響其消波效率的一個重要因素。單體模塊的內、外消浪墻均采用矩形開孔，開孔率μ的定義為：

其中：S1為無孔面積，S2為孔洞面積，如圖3所示。

單體內消浪墻弧長135.52 m，外消浪墻弧長151.37 m，兩者高度均為85 m，水中高度均為60 m，間距為24 m。設計了開孔率分別為0.24、0.20、0.16的3種內、外消浪墻，孔隙主要參數見表1，其中Lo為孔隙長度、Ho為孔隙高度、Ro為孔隙導角半徑。根據外消浪墻的開孔率不小于內消浪墻的原則，可以組合成6組消浪室方案，內、外消浪墻開孔率分別為：（Ⅰ）0.16、0.16，（Ⅱ） 0.16、0.20，（Ⅲ） 0.16、0.24，（Ⅳ）0.20、0.20，（Ⅴ）0.20、0.24，（Ⅵ）0.24、0.24。

消浪室在發揮消波作用的同時，也會由于對波浪的阻擋而增大VLFOB的系泊載荷和連接載荷。因此需要在綜合分析消波性能和VLFOB的各項載荷的基礎上，選取最優的消浪室方案。

圖3 開孔示意圖Fig.3 Sketch of openings

表1 孔隙主要參數Tab.1 Parameters of different openings

表2 消浪室性能試驗環境參數Tab.2 Environmental parameters for model test

2 消浪室方案性能試驗

對消浪室性能進行數值計算難度較大，因此通過模型試驗的方法對各消浪室方案進行性能研究。綜合考慮各因素，試驗采取縮尺比為：λ=80。不規則波試驗分別在南海一年一遇波浪、百年一遇波浪的環境中進行，不規則波采用JONSWAP譜，參數見表2，其中Hs為有義波高、Tp為譜峰周期，γ為譜峰因子。

試驗水深為5 m，采用水平系泊方式約束VLFOB模型，由4根水平柔軟系泊纜（#1～#4）組成，如圖4所示。圖中，VLFOB的外側A點和E點、內側B點和D點布置浪高儀，測量相對波高及內外波高變化情況；中心處C點布置浪高儀，測量VLFOB內部水域波高。

在圖4中坐標系第四象限內的模塊間3個連接面，上、下箱體之間各安裝2個三分力儀，共計12個三分力儀作為模塊間固定連接器，并測量連接載荷。每個連接面上三分力的安裝方法及方向定義見圖5，其中Xf為水平剪切力，Yf為垂向剪切力，Zf為軸向連接力。VLFOB的其他連接面也采用固定連接。

圖4 水平系泊系統和波高測量點Fig.4 Horizontal mooring system and locations of wave probes

圖5 三分力安裝及方向定義Fig.5 Arrangement and coordinates of dynamometers

對不同消浪室方案進行的性能試驗工況見表3所示，共13個工況。其中，μi、μo分別為內、外消浪墻的開孔率。試驗中，測量A～E點波高，VLFOB的運動響應、水平系泊力和連接力。

表3 消浪室方案性能試驗工況Tab.3 Model test cases

3 試驗結果與分析

3.1 固有周期和阻尼系數

選取方案（Ⅲ），在安裝及不安裝消浪室情況下，通過靜水衰減試驗，分析得到單體模塊的垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期T3、T4、T5，以及無因次阻尼系數C3、C4、C5，如表4所示。單體模塊的坐標系定義如圖6所示。通過對比發現：

表4 單體模塊的固有周期和阻尼系數Tab.4 Natural periods and damping coefficients of the single module

圖6 單體模塊的坐標系Fig.6 Coordinates of single module

消浪室的有無對單體模塊的垂蕩周期和阻尼系數影響甚微；安裝消浪室的單體模塊的縱搖周期比不安裝時增大了18.07 s，這說明附加慣性矩大大增加，縱搖阻尼系數由0.035顯著增大到0.12，這導致單體模塊縱搖衰減更快，見圖7，其中，β表示縱搖，t表示時間；安裝消浪室的單體模塊的橫搖周期和阻尼系數比不安裝時略微增大。

消浪室的投影面積是影響結構物運動的重要因素。對于單體模塊，消浪室在X方向投影最大，因此消浪室對單體模塊的縱蕩、縱搖運動影響較大。據此，對于VLFOB，消浪室的采用將增大其縱蕩、橫蕩、縱搖、橫搖運動模態的阻尼和附加質量，使得運動衰減加快、固有周期增大。

3.2 消波性能分析

為了更直觀地反映VLFOB內部波高降低的情況，用消波效率來評價消浪室的消波性能。定義：

圖7 靜水中縱搖衰減曲線對比Fig.7 Comparison of pitch decay in clam water

其中：f為消波效率，H為無結構物影響的入射波有義波高，HC為VLFOB內部C點的有義波高。根據此定義，f越大，內部波高越小，消浪室的消波性能越好。

A～E點的有義波高（記為HA～HE）和消波效率見表5，其中有義波高為時域統計分析結果。可見：

（1）對于同一消浪室，隨著有義波高及譜峰周期的增大，消波效率降低。

（2）對于一年一遇波浪，消浪室方案Ⅰ消波效率較好，方案Ⅱ、Ⅲ次之，方案V、VI較差；對于百年一遇波浪，消浪室方案Ⅰ消波效率較好，方案III次之，方案VI較差，如圖7所示。綜合考慮，消浪室方案Ⅰ和方案Ⅲ的消波效率較高。

（3）VLFOB內部B點和D點的波高基本一致，側面E點的波高稍大于入射波。VLFOB前沿A點的波高明顯大于入射波，這是因為波浪被VLFOB迎浪面消浪墻阻擋而爬高，當波浪較大時，甚至會出現甲板上浪的情況。這不僅起到破波作用，也會增大VLFOB的波浪載荷。

（4）在百年一遇波浪作用下，去掉VLFOB尾部兩個單體上的消浪墻后，內部水域的有義波高由10.04 m下降到8.86 m，可見尾部消浪墻的反射對降低內部水域波高起到了消極作用。

表5 A～E點的有義波高及消波效率Tab.5 Significant wave height at points A～E and wave-breaking efficiency

對于方案Ⅲ，VLFOB內部C點的波浪的能量譜與入射波能量譜的對比如圖8所示，其中，S表示能量譜密度，ω表示圓頻率。可見：

VLFOB內部的波浪能量大大降低，特別是譜峰頻率附近降低明顯。對于一年一遇波浪，VLFOB內部波浪能量集中在0.40 rad/s至0.65 rad/s的頻率范圍內；對于百年一遇波浪，VLFOB內部波浪能量集中在0.30 rad/s至0.50 rad/s的頻率范圍內。

圖8 不同消浪室方案消波效率比較Fig.8 Comparison of wave-breaking efficiency

3.3 運動響應、系泊載荷及連接載荷分析

VLFOB的縱蕩響應最為顯著，其他模態運動響應都較小。縱蕩的最大幅值（以Xmax表示）如圖10所示，最大水平系泊力（以Tmax表示）如圖11所示，單體模塊間12個連接器的水平剪切力、垂向剪切力和軸向連接力的最大值（分別以FXmax、FYmax和FZmax表示）如圖12所示。可見：

圖9 VLFOB內部波浪譜與入射波浪譜比較（左：一年一遇；右：百年一遇）Fig.9 Comparison of power spectrums between the incident wave and the wave inside VLFOB (Left:1-year wave,Right:100-year wave)

圖10 縱蕩最大值比較Fig.10 Comparison of maximum surge

圖11 最大系泊力比較Fig.11 Comparison of maximum mooring force

圖12 連接器各向最大受力比較（左：水平剪切力；中：垂向剪切力；右：軸向連接力）Fig.12 Comparison of maximum connecting loads(Left:horizontal shear force,Middle:vertical shear force, Right:axial tension)

（1）采用方案Ⅰ～Ⅳ時，VLFOB的縱蕩較大，系泊力也較大。基本上，消浪室消波性能越強，VLFOB縱蕩響應和系泊力就越大。對于方案Ⅰ和方案Ⅲ這兩種消浪性能較好的消浪室，在一年一遇、百年一遇波浪下，采用后者時，VLFOB的縱蕩最大幅值比采用前者時分別減小3.2 m、4.0 m，最大系泊力相差不大。

（2）連接器的三個分力中，以軸向連接力最大，水平剪切力次之，垂向剪切力最小。對于軸向連接力和水平剪切力，采用方案Ⅰ時最大、方案Ⅱ次之，其他方案相對較小；對于垂向剪切力，采用方案Ⅰ～Ⅳ時相對較大，其余兩個方案相對較小。

（3）對于方案Ⅰ和方案Ⅲ這兩種消浪性能較好的消浪室，在一年一遇波浪、百年一遇波浪下，采用后者時，VLFOB的連接器軸向力最大分別為107.49 kN、513.38 kN，比采用前者時分別少了90.36 kN、197.39 kN。可見，采用方案Ⅲ時，VLFOB的連接器軸向力明顯小于采用方案Ⅰ。另外，采用方案Ⅲ時，VLFOB的連接器水平剪切力明顯小于采用方案Ⅰ，但其連接器垂向剪切力與采用方案Ⅰ時相當。

4 結 語

（1）提出不同開孔率組合的消浪室方案，通過系列模型試驗發現：基本上，開孔率越小，消波性能越好，VLFOB的縱蕩響應和系泊力越大，單體模塊間的連接載荷相對較大；隨著入射波能級提高，消浪室的消波性能降低。

（2）采用內外開孔率分別為0.16和0.24的消浪室方案（即方案Ⅲ），不但具有較高的消波效率，入射波譜峰頻率附近波浪能量明顯降低，而且VLFOB的連接載荷也較小。

（3）采用消浪室時，VLFOB縱蕩、橫蕩、縱搖、橫搖運動模態的阻尼和附加質量增大，使得這幾個運動模態衰減更快，固有周期更大。

（4）VLFOB消浪室迎浪面波浪爬高明顯，容易產生甲板上浪；內側水域波高基本一致。

在大型浮式結構物上采用直立開孔式消浪墻結構，國內外甚少見到有關文獻報道。相關理論分析和數值計算方法，以及其他設計參數如高度、浸深、內外消浪墻間距等的影響，尚需進一步研究。

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Experimental research on the wave-breaking chambers of Very Large Floating Offshore Base

KOU Yu-feng1,3,XIAO Long-fei1,3,LIU Jian-hui2,YANG Li-jun1,3
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China;3.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China)

Wave-breaking chamber,composed of inner and outer wave-breakers which are vertical and porous plates,is applied in the design of Very Large Floating Offshore Base(VLFOB).By using different inner and outer opening ratios,six wave-breaking chambers are proposed.Through experimental studies,the wave-breaking efficiency and the hydrodynamic performance of the VLFOB are compared and analyzed. The results show that the wave-breaking efficiency will be higher by utilizing the chamber with lower opening ratio.At the same time,the surge motion,the mooring force and the connector load of the VLFOB will be larger.For the same chamber,the wave-breaking efficiency decreases with the increase of the incident wave energy.Among the six chambers,the best one is selected due to the relatively high wave-breaking efficiency and low connector loads.

Very Large Floating Structure(VLFS);offshore base;wave-breaking chamber;model test

P75

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.006

1007-7294（2016）07-0833-08

2015-12-06

國家高技術研究發展計劃資助項目（2008AA09A107）；海洋工程國家重點實驗室青年創新基金課題

寇雨豐（1986-），男，工程師，E-mail：Kouyufeng@sjtu.edu.cn；肖龍飛（1972-），男，研究員，博士生導師，E-mail：xiaolf@sjtu.edu.cn。