南海極淺水下浮式平臺錨泊系統數值計算和模型試驗對比

2019-09-05 06:18:24賈昌浩王永恒

艦船科學技術 2019年8期

賈昌浩，王磊，李博，王永恒

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

島礁中型浮式平臺目前沒有嚴格的定義，但大家普遍接受的觀點是指那些可以以島嶼為依托，帶有永久性或半永久性，具有多用途的海洋工程結構物[1]。島礁中型浮式平臺有以下獨特優點[2]：1）結構簡單，成本低廉，技術成熟，對周圍環境的影響較小；2）不受海底地質條件約束；3）穩性好，波浪條件下結構依然保持平穩。

海洋工程領域，美國和日本對浮式結構物的研究較為領先。關西機場是日本在1973 年正式提出的KIA 計劃[3]，浮動跑道和輔助跑道是該計劃的2 個組成部分，為箱型結構形式。美國1992 提出的海上基地“MOB——可移動式離岸基地”計劃，整個結構由6 個單獨的半潛浮體拼接而成[4]，但目前為止該計劃并沒有建造實物。國內最早開始涉及大型浮體研究工作的是中船重工第702 研究所；2001 年以來，上海交通大學開始進行水彈性方面的工作。Pinkster[5]以1 艘LNG 船淺水系泊系統為研究對象，發現淺水中束縛波對低頻力的影響超過1 階波浪力；Y Kim[6]對錨泊線纜的張力進行研究，計算發現錨泊線的張力與平臺的六自由度狀態有關，同時考慮了海底對系泊纜的影響。

本文研究的平臺位于南海島礁附近，水深極淺、地勢復雜。為了增加復雜受力情況下錨鏈和海底的摩擦力，本文為島礁中型浮式平臺設計了1 套懸鏈線式錨泊系統，并詳敘了平臺的模型試驗。對比分析平臺在工作海況和生存海況下的數值計算和模型試驗結果，并嘗試分析了兩者之間差異的主要原因。通過對比分析，本文驗證數值計算的準確性與可行性，并對本文所涉及的錨泊方案的各項技術性能進行安全認證，為今后新平臺和新錨泊方式的開發設計提供依據[7]。

1 模型試驗方法及數值計算理論

1.1 相似理論

模型和實際平臺應該滿足3 個相似條件，即

1）幾何相似：大小不同，形狀卻完全相似。

2）運動相似：模型和實體在運動時其對應點處在任意相同時刻的同類物理量，如流體速度、加速度等都有相同的比例。

3）動力相似：流體作用于模型和實體上的各種力，如重力、慣性力、粘性力和表面張力等互相成比例。

實踐證明，完全相似不可能，通常都是根據具體的研究對象，選擇合適的相似準則，這在相似理論中稱為部分相似[8]。

1.2 模型制作與相關參數調節

本次模型試驗，選擇的縮尺比為36。縮尺比確定后，根據幾何相似的要求進行模型制作，模型試驗中，對應實體和模型的參數見表1。

模型制作完成以后，要分別對模型的重量、中心和慣量進行調節。此外，錨泊系統的錨鏈長度、重量和彈性系數也要進行相似模擬。

1.3 數值計算理論

1）坐標系

根據是否會產生回復力和回復力矩，可以將浮體六自由度運動分為2 種。一是受到回復力和力矩作用的垂蕩、橫搖和縱搖，二是不會產生回復力的縱蕩、橫蕩和首搖。

表 1 島礁浮式平臺主要參數Tab. 1 Main parameter of the platform

2）平臺時域運動方程

在隨船坐標系中, 平臺時域運動方程為：

2 錨泊系統設計及模型試驗

該部分介紹了懸鏈線式錨泊系統的設計以及模型試驗的過程：模型重心的調節、錨泊系統的布置、風浪流的模擬、各種試驗設備的調試與使用以及整個系泊系統在風浪流環境下的試驗。

2.1 平臺錨泊系統的設計

考慮平臺所在海域的地質地形特性、平臺的使用特點和作業要求，平臺的系泊方案采用懸鏈線式：8 根懸鏈式系泊方案（工作海況）、12 根懸鏈式系泊方案（生存海況）。

圖 1 浮式平臺12 根懸鏈線式系泊系統示意圖Fig. 1 A schematic diagram of 12 catenary mooring systems for floating platform

平臺每根系泊纜繩都由系泊錨鏈加配重塊組成，以期增加錨鏈與海底之間的摩擦力，錨鏈采用鑄鐵錨鏈[11]。系泊纜主要參數如表2 所示。本浮式平臺位于南海近島礁極淺海域，主要試驗條件為工作海況風速10 m/s，Hs=1 m，T=4.32 s；生存海況即風速36 m/s，Hs=3 m，T=7.48 s。模擬試驗波浪譜使用北海聯合海浪計劃（JONSWAP）譜。

表 2 島礁浮式平臺系泊纜模型設計Tab. 2 Design of mooring cable for floating platform

2.2 模型試驗

平臺模型正式下水之前要對模型和環境做簡單校對試驗，依次是重量重心慣性矩調節試驗、不規則海底模擬與布置、確定錨點位置安裝力傳感器、校波校風等，模型入水如圖2 所示。

圖 2 模型入水Fig. 2 Model into the water

模型入水完成以后，要布置六自由度運動測量儀和錨鏈以及測力傳感器等。之后，將平臺模型置于規定的平衡位置，連接上系泊系統所有的錨泊線及拉力傳感器。對每根錨泊線加上相同的預張力，使它們處于相同的張緊狀態和具有同等的定位功能。布置好錨鏈和傳感器之后，還要進行以下3 個試驗：系泊系統整體剛度測量、模型單自由度運動衰減試驗和風浪環境下的系泊系統試驗（見圖3）。

圖 3 橫蕩衰減試驗Fig. 3 Turbulence decay test

3 平臺數值計算和模型試驗結果對比分析

3.1 六自由度運動時歷

1）工作海況

浮式平臺水動力計算采用商業勢流軟件計算。由于該工況中環境力的方向是270°，平臺在橫蕩、橫搖和首搖方向的運動比較顯著，而其在縱蕩、縱搖和垂蕩方面的運動相對不太明顯。本節給出平臺在橫蕩和橫搖方向的運動時歷，如圖4 所示。對于平臺運動時歷的統計結果，則給出了平臺6 個自由度的結果，分別包括其平均值、最大值和標準差，如表3 所示。

圖 4 工作海況下平臺橫蕩、橫搖運動時歷曲線對比Fig. 4 Operation condition sway, roll time history

表 3 工作海況下系泊系統平臺6 自由度運動統計結果Tab. 3 Operation condition 6-DOF statistical result

由圖5 結果可知平臺數值計算和模型試驗的橫蕩和橫搖結果，可以發現平臺在數值計算和模型試驗中的平均值和最大值非常接近，平均值誤差在0～7.14%。兩者的運動時歷均顯示平臺在該工況下的定位非常穩定。數值計算的結果大體上反映了模型試驗的結果。平臺橫蕩運動的平均值在-1～4 m 左右，橫搖運動的平均值在0°左右，最大值在3°附近，其運動在可接受范圍內。

圖 5 生存海況下平臺橫蕩、橫搖運動時歷曲線對比Fig. 5 Survival condition sway, roll time history

通過以上數值計算和模型試驗的橫蕩、橫搖運動時歷和六自由度運動統計結果的比較，數值計算結果與模型試驗結果吻合較好。平臺六自由度運動均在合理范圍內。可以認為，在該工況下，平臺可以非常好地保持定位。

2）生存海況

同樣，本節僅給出了平臺在橫蕩和橫搖方向的運動時歷（見圖5）。對于平臺運動時歷的統計結果，則給出了平臺6 個自由度的結果，分別包括其平均值、最大值和標準差，如表4 所示。

表 4 生存海況下系泊系統平臺六自由度運動統計結果Tab. 4 Survival condition 6-DOF statistical result

由圖6 的結果可知平臺數值計算和模型試驗的橫蕩和橫搖結果，同樣可以發現平臺在數值計算和模型試驗中的平均值和最大值比較接近，平均值誤差最大在10.53%。平臺橫蕩運動的平均值在-5～9 m 左右，橫搖運動的平均值在0°左右，最大值在11°附近，對于臺風海況，其運動在可接受范圍內。

通過以上數值計算和模型試驗的橫蕩、橫搖運動時歷和六自由度運動統計結果的比較，數值計算結果與模型試驗結果吻合較好。可以認為，在該工況下，平臺可以安全地完成定位。

3.2 系泊纜張力時歷分析

生存海況下，系泊纜張力最大，故本節只討論在生存海況下數值模擬和模型試驗的對比。圖6 和表5為生存海況下錨鏈張力時歷與統計結果。

模型試驗中各系泊纜的張力的平均值均保持在10～26 t 左右，在數值計算中其平均值保持在9～26 t左右，誤差最大8%左右。生存海況中錨鏈受到的最大張力為139 t，使用準靜態分析計算時，錨鏈最大張力的安全因子取2.0[12]，安全系數為較高，不會有錨鏈破斷的情況出現[13]。綜合分析統計結果，數值計算中各系泊纜張力的結果與模型試驗的結果差異較小。

3.3 錨點處錨抓力統計結果分析

生存海況下，數值計算和模型試驗中平臺各錨點錨抓力統計結果如表6 所示。

可以發現，各點錨抓力的大小分為2 組，迎風浪一側9～12 號錨點受力較大。平臺各錨點錨抓力的平均值在模型試驗中均保持在4～26 t，在數值計算中其平均值保持在4～24 t，且各錨點錨抓力平均值基本相同。綜合分析統計結果，數值計算中各錨點錨抓力的結果與模型試驗中的結果比較接近。錨鏈上的重塊阻止了導纜孔處的拉力傳遞到錨點，因此不會有走錨危險[14]。