王麗元，唐友剛，何 堃，白 強(qiáng)

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

球形波浪浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)性能分析

王麗元1，唐友剛1，何 堃1，白 強(qiáng)2

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

研究球形波浪浮標(biāo)風(fēng)、浪、流作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊張力。利用SESAM軟件建立球型浮標(biāo)有限元模型。采用三維勢流理論計(jì)算波浪力，得到一系列規(guī)則波作用下，不同水深時(shí)球形浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。同時(shí)計(jì)算球形浮標(biāo)在隨機(jī)波浪的作用下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。經(jīng)過計(jì)算分析，得到了浮標(biāo)的幅頻響應(yīng)以及隨機(jī)波作用下的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，給出了不同水深和波高下系泊錨鏈的張力。

球形浮標(biāo)；幅頻響應(yīng)；隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；錨鏈張力

球形浮標(biāo)廣泛應(yīng)用于在沿海水域測量海浪的變化，浮標(biāo)在風(fēng)浪流作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響波浪測量數(shù)據(jù)的可靠性[1]。因此需要合理地分析預(yù)報(bào)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)性能，掌握浮標(biāo)工作海況下的運(yùn)動(dòng)性能，以及極端海況下的生存能力，為保證浮標(biāo)的安全提供技術(shù)支持。浮標(biāo)水中結(jié)構(gòu)球體部分屬于大尺度結(jié)構(gòu)，需要考慮波浪的入射和繞射效應(yīng)計(jì)算，系泊部分纜索屬于小尺度結(jié)構(gòu)，采用Morsion公式計(jì)算[2]。此外，浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生慢漂運(yùn)動(dòng)，所以還需要考慮浮標(biāo)的二階慢漂阻尼力[3]。繆泉明等采用勢流計(jì)算了規(guī)則波中蝶形浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[4]，駱寒冰等進(jìn)行了規(guī)則波中浮標(biāo)的試驗(yàn)研究[5]。目前對(duì)于考慮二階力及隨機(jī)波影響的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)研究比較少。本文采用DNV開發(fā)的SESAM軟件HydroD模塊進(jìn)行頻域分析[6]，考慮二階力采用DeepC模塊進(jìn)行時(shí)域隨機(jī)分析[7]。計(jì)算得到了浮標(biāo)的幅頻運(yùn)動(dòng)曲線RAOs以及隨機(jī)波下的運(yùn)動(dòng)和錨鏈張力的變化規(guī)律。

1 球形浮標(biāo)主要技術(shù)參數(shù)

本文計(jì)算的球形浮標(biāo)用途為測量波高。浮標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要參數(shù)如表1所示。

系泊系統(tǒng)系泊索為混合結(jié)構(gòu)，系泊索上部為錨鏈，下部為橡膠繩，海底部分為錨鏈。

2 計(jì)算模型

表1 浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)

圖1 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

在水動(dòng)力計(jì)算軟件SESAM中建立Panel模型，坐標(biāo)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(shí)，用三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)的板單元，建立浮標(biāo)的面板模型，球形浮標(biāo)單元?jiǎng)澐秩鐖D3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(biāo)坐標(biāo)系

圖3 球形浮標(biāo)水動(dòng)力建模

將水動(dòng)力模型導(dǎo)入到HydroD中，計(jì)算球形浮標(biāo)在一系列規(guī)則波作用下的響應(yīng)，并用Postresp子程序進(jìn)行后處理，得到波浪載荷和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線RAOs。計(jì)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(biāo)運(yùn)動(dòng)RAOs曲線及水動(dòng)力參數(shù)，如圖4～圖6所示。

圖4 球形浮標(biāo)六自由度RAOs曲線

3 自由浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖5 球形浮標(biāo)6個(gè)自由度的附加質(zhì)量

圖6 球形浮標(biāo)6個(gè)自由度的輻射阻尼系數(shù)

分析得到上述頻域計(jì)算結(jié)果，利用SESAM軟件DeepC模塊計(jì)算浮標(biāo)在隨機(jī)波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。本節(jié)僅考慮波浪作用，計(jì)算浮標(biāo)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。由于浮標(biāo)單點(diǎn)系泊，波浪二階力對(duì)其運(yùn)動(dòng)影響很大，計(jì)算中，設(shè)置了波浪二階阻尼[8]。本文波浪譜選擇Jonswap3譜，波浪方向?yàn)閄軸負(fù)向。對(duì)應(yīng)海況參數(shù)如表2所示。

同樣，以20 m水深為例，計(jì)算得到的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果以及錨鏈中的張力如圖7～圖9所示。因浮標(biāo)搖擺和升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)浮標(biāo)性能有很大影響，所以文中只給出縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

至此，文中計(jì)算得到了球形浮標(biāo)在各種水深、各種海況下的運(yùn)動(dòng)時(shí)程曲線。根據(jù)浮體在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論[9]，浮體在隨機(jī)波運(yùn)動(dòng)的過程中最可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)幅值為：

即程序輸出的均方根為浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中最可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)幅值。

浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的平均幅值為：

1 /3 有義運(yùn)動(dòng)幅值為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，用二次多項(xiàng)式擬合，由式（2）和式（3）可知，浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的平均幅值和1/3有義運(yùn)動(dòng)幅值成線性比例關(guān)系，所以這里給出不同水深下縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)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(shí)間歷程曲線

圖8 波浪作用下垂蕩時(shí)間歷程曲線

圖9 波浪作用下錨鏈張力時(shí)間歷程曲線

表2 海況參數(shù)

圖10 平均縱搖幅值隨波高變化

接下來計(jì)算球形浮標(biāo)在生存狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及錨鏈中張力歷程曲線。生存狀態(tài)考慮流和風(fēng)對(duì)球形浮標(biāo)的作用。波浪譜取Jonswap3譜，流速取2.0 m/s，風(fēng)速取30 m/s。風(fēng)、浪、流的方向相同，均為X軸負(fù)向。以20 m水深為例，計(jì)算結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 生存狀態(tài)下縱搖時(shí)間歷程曲線

圖13 生存狀態(tài)下垂蕩時(shí)間歷程曲線

圖14 生存狀態(tài)下錨鏈張力時(shí)間歷程曲線

生存狀態(tài)歷程圖說明，在有風(fēng)、流作用時(shí)，浮標(biāo)發(fā)生傾斜，獲得新的平衡位置，在此平衡位置，浮標(biāo)在波浪作用下做搖擺和升沉運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）隨著波高的增加，浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變大，纜繩張力也隨之變大；

（2）球形浮標(biāo)在生存狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)由于風(fēng)流影響，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩張力增大；

（3）隨著水深的增加，浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變小；

（4）在風(fēng)流作用下，浮標(biāo)產(chǎn)生傾斜角，由于波浪作用，浮標(biāo)以傾斜位置為平衡做搖擺和升沉運(yùn)動(dòng)。

依據(jù)上述結(jié)論和球形浮標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)響應(yīng)大小，調(diào)整球形浮標(biāo)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以減小球形浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，為設(shè)計(jì)浮標(biāo)和改進(jìn)浮標(biāo)提出相應(yīng)的理論依據(jù)。

[1]顧鵬，董艷秋，唐友剛.浮標(biāo)橫搖傾角的改進(jìn)計(jì)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(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].天津∶天津大學(xué)出版社，2008．

[3]黃祥鹿，陸鑫森.海洋工程流體力學(xué)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)[M].上?！蒙虾＝煌ù髮W(xué)出版社，1992．

[4]繆泉明，顧民，楊占明，等.極限海況下浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)及錨鏈?zhǔn)芰浪鉡J].船舶力學(xué)，2003，7(5)：21-27．

[5]駱寒冰，林維學(xué)，楊永春，等．規(guī)則波中浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)及錨鏈?zhǔn)芰Φ脑囼?yàn)研究[C]//第四屆船舶與海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)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(biāo)的二階動(dòng)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(xué)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(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(11JCYBJC07300)；教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20110032110041)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021004)

王麗元(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。Email：wangliyuan_tju@126.com

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