于悅凱，宋育新，周道成，任年鑫

(1. 大連理工大學(xué) 深海工程研究中心,遼寧 大連 116024； 2. 中國(guó)石油廣西石化分公司,廣西 欽州 535008； 3. 海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228； 4. 海南大學(xué) 南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，海南 ?？?570228)

隨著21世紀(jì)人口的急劇膨脹，土地資源變得愈發(fā)珍貴，且人口分布在沿海地區(qū)更為集中，因此對(duì)占地球總面積2/3以上的海洋進(jìn)行開發(fā)與拓展已經(jīng)成為了當(dāng)今世界各國(guó)的研究重點(diǎn)。面對(duì)這一形勢(shì),國(guó)際海洋工程界掀起了研究超大型浮式結(jié)構(gòu)(very large floating structure，簡(jiǎn)稱VLFS)的熱潮[1]。VLFS具有綜合性、多用途的功能，且相比于傳統(tǒng)的填海造陸工程，VLFS還具有可移動(dòng)、受地震沖擊小、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[2]。

VLFS有多種用于定位的系泊系統(tǒng)，如懸鏈線系泊、單錨腿系泊、張力腿系泊、系纜樁/緩沖系泊；結(jié)構(gòu)形式主要有箱式和半潛式，其中箱式浮體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要部署于靠近海岸的平靜海域，半潛式浮體運(yùn)動(dòng)性能好，可部署于風(fēng)浪較大的海域，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜建造成本高。定位系泊系統(tǒng)分為兩類，一類是系泊纜，另一類是帶著橡膠護(hù)舷系統(tǒng)的沉箱樁或樁式系纜柱[3]。VLFS因其龐大的尺寸，需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，且與其他類型的海洋結(jié)構(gòu)物相比，VLFS具有較高的柔性，因此其彈性變形效應(yīng)需要考慮，水彈性分析成為其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]。Ertekin等[4]以16模塊VLFS浮體為研究對(duì)象，建立了兩種水彈性模型(①充分考慮了模塊間水動(dòng)力相互作用的柔性連接多剛體模塊模型，②柔性連接多彈性模塊的三維框架模型)，對(duì)水彈性響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)②模型需要更短的計(jì)算時(shí)間，但在流體動(dòng)力最終設(shè)計(jì)階段必須選用三維勢(shì)流理論；Cho[5]對(duì)VLFS的系纜樁緩沖系泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并發(fā)現(xiàn)在特定情況下，樁數(shù)越多，其所受的壓力與變形越大，單樁系統(tǒng)有更好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng); Tim等[6]對(duì)比了6款水動(dòng)力軟件關(guān)于淺水波浪引起船舶運(yùn)動(dòng)的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了AQWA對(duì)于淺水區(qū)域海上結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算的準(zhǔn)確性；Li等[7]采用Ansys-AQWA對(duì)多模塊海上平臺(tái)進(jìn)行頻域分析，為VLFS結(jié)構(gòu)網(wǎng)格動(dòng)力研究提供了新的研究方法；Ren等[8-9]設(shè)計(jì)了一套基于超大型浮體的波浪能裝置，旨在進(jìn)行能源補(bǔ)給的同時(shí)減小波浪荷載，并針對(duì)不同連接器類型對(duì)水動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。Nguyen等[10-11]提出在矩形VLFS前緣安裝模塊化波浪能發(fā)電裝置(WEC)來(lái)降低結(jié)構(gòu)的水彈性響應(yīng)并獲取一定的波浪能，并參數(shù)化研究了箱體長(zhǎng)度、發(fā)電裝置阻尼系數(shù)、浮體模塊間隙和入射波角對(duì)裝置效果的影響。

目前該領(lǐng)域?qū)\水海域單樁緩沖系泊的研究較少，為配合南海重要島礁陸域拓展及海洋資源開發(fā)，針對(duì)其淺水海域提出了一種新型模塊化單樁緩沖系泊與波浪能裝置集成的浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，基于三維勢(shì)流理論，綜合考慮浮體模塊與單樁結(jié)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及相關(guān)波浪能裝置的機(jī)械耦合機(jī)理，重點(diǎn)研究單模塊浮體平臺(tái)在新型緩沖系泊系統(tǒng)下的動(dòng)力響應(yīng)特征，進(jìn)行單樁緩沖系泊系統(tǒng)參數(shù)的初步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)極端海況下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行安全校核，提出相應(yīng)的優(yōu)化自存策略。

1 理論基礎(chǔ)及數(shù)值模型

1.1 新型模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概念簡(jiǎn)述

提出的一種新型模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，工作環(huán)境為有天然島礁或人工庇護(hù)的20 m水深南海近島礁海域。由于建造于淺水水深的結(jié)構(gòu)物受潮汐影響較大，導(dǎo)致錨鏈難于適應(yīng)相關(guān)設(shè)計(jì)和布置，而新型單樁緩沖系泊系統(tǒng)易于布置，且具有潮汐自適應(yīng)的顯著優(yōu)勢(shì)，并便于集成和拓展。在單樁緩沖系泊結(jié)構(gòu)與浮體間設(shè)有波浪能發(fā)電裝置(WEC)，利用二者水平和垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，在改善模塊化浮體動(dòng)力響應(yīng)的同時(shí)，獲得可觀的發(fā)電量。

提出的模塊化浮體概念設(shè)計(jì)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括：1)模塊化箱式浮體，浮體間隔2 m；2)單樁緩沖系泊基礎(chǔ)，與模塊間隔1.5 m，允許結(jié)構(gòu)的垂向運(yùn)動(dòng)，限制浮體的水平運(yùn)動(dòng)；3)模塊間連接裝置，連接多模塊并限制模塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；4)水平護(hù)舷約束裝置，其與單樁基礎(chǔ)組成單樁水平緩沖系泊系統(tǒng)，允許浮體模塊垂向運(yùn)動(dòng)，并利用浮體模塊與單樁基礎(chǔ)的水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行波浪能發(fā)電；5)潮汐自適應(yīng)垂向約束裝置，其可以緩沖浮體的垂蕩運(yùn)動(dòng)(波浪能裝置阻尼效應(yīng))，并利用浮體模塊與單樁基礎(chǔ)的垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行波浪能發(fā)電。

圖1 新型單樁緩沖系泊模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意Fig. 1 Conceptual sketch of a novel modular floating structure with monopile dolphin moorings

鑒于此新型模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為初步概念設(shè)計(jì)，其所涉及的模塊單元、連接器及單樁緩沖系泊較多，全結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模擬分析的計(jì)算量巨大，同時(shí)文中主要是以此新型模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的單樁緩沖系泊動(dòng)力特征研究為主要目的，因此將主要對(duì)簡(jiǎn)化單模塊浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行深入研究，并獲得單樁緩沖系泊系統(tǒng)的初步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。簡(jiǎn)化單模塊浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示，該單模塊浮體結(jié)構(gòu)主要涉及參數(shù)如表1所示(主要參考萬(wàn)噸級(jí)船塢的建造能力[9])。

圖2 簡(jiǎn)化單模塊浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意Fig. 2 Conceptual sketch of a simplified single module floating structure system

表1 單模塊浮體結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Main structure design parameters for the single-module floating

1.2 水動(dòng)力載荷分析

基于Ansys-AQWA[12]軟件平臺(tái)，建立單模塊浮體及新型單樁緩沖系泊系統(tǒng)的耦合時(shí)域分析數(shù)值模型，考慮浮體模塊與單樁基礎(chǔ)的動(dòng)力耦合效應(yīng)，重點(diǎn)模擬該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在典型海況下的動(dòng)力響應(yīng)特征，并計(jì)算其波浪能發(fā)電功率。利用AWQA程序中的fender單元，模擬單模塊浮體四周的水平波浪能發(fā)電約束裝置及垂向波浪能約束裝置，相關(guān)水動(dòng)力模型如圖3所示。

圖3 AQWA水動(dòng)力數(shù)值模型Fig. 3 AQWA hydrodynamic numerical model

此外，相關(guān)緩沖系泊系統(tǒng)的波浪能發(fā)電功率計(jì)算公式如式(1)所示：

P=F2/C

(1)

式中：P為發(fā)電功率；F為連接阻尼力；C為阻尼系數(shù)。

2 主要模擬結(jié)果分析

2.1 單樁基礎(chǔ)水平護(hù)舷參數(shù)研究

鑒于擬選址海域?yàn)橛刑烊粛u礁或人工庇護(hù)的20 m深海域，因此初步選取代表性極端規(guī)則波海況條件為：H=4 m，T=10 s[9]。由于單樁水平護(hù)舷單元主要是限制浮體模塊的水平運(yùn)動(dòng)，因此首先重點(diǎn)監(jiān)測(cè)浮體的縱蕩位移及加速度響應(yīng)。不同水平護(hù)舷單元參數(shù)(阻尼/剛度)下模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比如圖4所示。從圖4(a)～(b)可以看出，緩沖系泊水平剛度和水平阻尼都會(huì)對(duì)模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移及水平加速度產(chǎn)生顯著影響，特別是在水平阻尼較小時(shí)，水平剛度的影響更為顯著。模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移及加速度隨緩沖系泊水平剛度和水平阻尼的增加近似比例減小。因此，可以通過(guò)合理選擇緩沖系泊水平剛度和水平阻尼參數(shù)值組合，達(dá)到有效控制模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)水平動(dòng)力響應(yīng)的目標(biāo)。并參考文獻(xiàn)[13]水平加速舒適度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(即當(dāng)aL≤0.98 m/s2時(shí)，舒適性較好)，使此水平緩沖系泊系統(tǒng)可以滿足相關(guān)舒適性的設(shè)計(jì)要求。此外，從圖4(c)可以看出，水平波浪能裝置平均發(fā)電功率隨著緩沖系泊水平剛度和水平阻尼的增加而下降并趨于平緩，即水平剛度和水平阻尼相對(duì)較小時(shí)，水平波浪能裝置的發(fā)電功率較大。進(jìn)一步綜合考慮緩沖系泊水平剛度和水平阻尼對(duì)模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的縱蕩位移(圖4(a))、加速度(圖4(b))和平均發(fā)電功率的影響特征，提出該新型浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)水平緩沖系泊優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)為：剛度6×106N/m、阻尼8×106N·s/m。這主要是基于充分發(fā)揮水平波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電效率，并確保浮式平臺(tái)水平位移和加速度響應(yīng)滿足相關(guān)安全及舒適度的要求而確定的。

圖4 不同水平護(hù)舷參數(shù)下的動(dòng)力響應(yīng)及平均發(fā)電功率Fig. 4 Dynamic response and average generating power with different horizontal fender parameters

2.2 垂向約束裝置參數(shù)研究

選取代表性極端規(guī)則波海況(H=4 m，T=10 s)[9]，進(jìn)一步研究垂向約束裝置的阻尼參數(shù)對(duì)浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)垂蕩位移、加速度以及波浪能發(fā)電功率的影響特征，不同垂向約束裝置阻尼下模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比如圖5所示。

如圖5(a)所示，隨著垂向阻尼值的增加，浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的垂蕩以及垂向加速度都顯著下降。綜合考慮浮體的垂蕩響應(yīng)幅值，并參考文獻(xiàn)[13]中垂向加速舒適度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) (即當(dāng)aV≤0.49 m/s2時(shí)，舒適性較好)，當(dāng)裝置阻尼值大于6×106N·s/m時(shí)，能夠使此浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基本滿足良好的垂向加速度舒適度的要求。從圖5(b)可以看出，當(dāng)垂向阻尼從6×106N·s/m增加到1×107N·s/m時(shí)，對(duì)應(yīng)的垂向波浪能裝置的平均發(fā)電功率從1.76 MW下降到1.29 MW，即在垂向阻尼為6×106N·s/m時(shí)達(dá)到最大發(fā)電功率，因此建議浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)垂向阻尼的初步優(yōu)化值為6×106N·s/m。

圖5 不同垂向約束裝置阻尼下的主要?jiǎng)恿憫?yīng)參數(shù)對(duì)比Fig. 5 Comparison of main dynamic responses under different vertical damping parameters

2.3 平臺(tái)在典型運(yùn)行海況下的數(shù)值模擬

基于上述單樁緩沖系泊初步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)(即：水平剛度6×106N/m，水平阻尼8×106N·s/m；垂向阻尼6×106N·s/m)，選取一系列代表性規(guī)則波海況(H=2 m，T=4～16 s)，進(jìn)一步研究該浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同波浪周期下的動(dòng)力響應(yīng)特征，主要數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，浮體垂蕩響應(yīng)幅值隨波浪周期的增加而逐漸增加，縱蕩響應(yīng)的幅值在波浪周期為11 s時(shí)出現(xiàn)了最大值。從圖6(b)可以看出，浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)水平與垂向加速度的特征周期分別為8 s與11 s，且垂向加速度在波浪周期大于10 s的范圍內(nèi)對(duì)波浪周期相對(duì)不敏感。從圖6(c)可以看出，波浪能發(fā)電裝置平均發(fā)電功率隨著波浪周期的增加先顯著增加，在周期為11 s附近達(dá)到最大值，隨后隨著波浪周期的增加而逐漸減小。

圖6 平臺(tái)典型運(yùn)行海況的數(shù)值模擬Fig. 6 Simulation of platform under the operational sea case

2.4 極端海況安全校核

鑒于自然界中的波浪往往十分復(fù)雜，且具有顯著的不規(guī)則隨機(jī)性特征，進(jìn)一步采用Jonswap譜描述極端不規(guī)則波海況(λ=3.3，有效波高Hs=4 m，譜峰周期Tp=10 s)，基于初步確定的單樁緩沖系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)(水平剛度6×106N/m，水平阻尼為8×106N·s/m；垂向阻尼為6×106N·s/m)，重點(diǎn)研究此極端海況下新型浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的極值響應(yīng)特征，主要數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。

表2 極端海況下新型浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)信息Tab. 2 Statistic information of the new floating structure system in the extreme sea case

從表2中可以看到，極端不規(guī)則波海況下，縱蕩和垂蕩響應(yīng)極值分別達(dá)到了1.714 m和1.198 m，水平加速度和垂向加速度極值也都超過(guò)了上述的舒適度范圍(aL≤0.98 m/s2，aV≤0.49 m/s2)，即可能會(huì)對(duì)浮體上工作人員及重要設(shè)施的安全造成不利影響。此外，此海況下水平波浪能裝置和垂向波浪能裝置總發(fā)電功率達(dá)到了可觀的1.44 MW。為進(jìn)一步改善新型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在此極端海況下的動(dòng)力響應(yīng)，探索性提出極端海況下適當(dāng)提高緩沖系泊系統(tǒng)液壓阻尼參數(shù)的優(yōu)化策略，即通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)液壓阻尼設(shè)備的閥門開口狀態(tài)，適當(dāng)增大一倍水平阻尼和垂向阻尼(即水平阻尼值為2×107N·s/m，垂向阻尼值為1.2×107N·s/m)，進(jìn)一步研究調(diào)整液壓阻尼參數(shù)后浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)極值的改善情況，主要結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，增大阻尼值后的緩沖系泊系統(tǒng)顯著改善了浮體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)極值。相關(guān)縱蕩和垂蕩的響應(yīng)極值分別降到了1.062 m和0.852 m，且水平加速度極值(0.398 m/s2)和垂向加速度極值(0.296 m/s2)也滿足了舒適度的要求。此外，單樁基礎(chǔ)的水平載荷極值顯著下降了10%。這也驗(yàn)證了通過(guò)適當(dāng)調(diào)整系泊液壓阻尼來(lái)改善浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特征的可行性，即當(dāng)海況惡劣時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)控緩沖系泊阻尼值來(lái)保證平臺(tái)上人員及設(shè)施的安全。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)南海近島礁的淺水海域提出了一種基于新型單樁緩沖系泊具有波浪能發(fā)電及潮汐自適應(yīng)特性的模塊化浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。針對(duì)簡(jiǎn)化單模塊浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，基于三維勢(shì)流理論，綜合考慮浮體模塊與單樁緩沖結(jié)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及相關(guān)波浪能裝置的機(jī)械耦合機(jī)理，利用Ansys-AQWA軟件重點(diǎn)研究了其在典型海況下的動(dòng)力響應(yīng)特征，得出的主要結(jié)論匯總?cè)缦拢?/p>

1) 緩沖系泊系統(tǒng)的剛度和阻尼參數(shù)對(duì)新型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征具有重要影響，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨系泊系統(tǒng)剛度和阻尼值的增加呈現(xiàn)比例似降低，基于滿足人體舒適度要求和充分發(fā)揮波浪能裝置發(fā)電效率的綜合考量，初步獲得了單樁緩沖系泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，即水平剛度為6×106N/m，水平阻尼為8×106N·s/m；垂向阻尼為6×106N·s/m。該新型緩沖系泊系統(tǒng)可以獲得可觀的波浪能發(fā)電貢獻(xiàn)。

2) 為提高極端海況下新型浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性和舒適性，可采用適當(dāng)提高緩沖系泊系統(tǒng)液壓阻尼參數(shù)的方法，即當(dāng)阻尼參數(shù)增加一倍后，浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿憫?yīng)極值都得到了顯著的降低，并滿足了平臺(tái)安全性及舒適性的要求。

此外，文中的主要研究成果還可以進(jìn)一步拓展到多模塊浮體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的緩沖系泊系統(tǒng)研究，作為其優(yōu)化設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)。