路寬， 饒翔， 王花梅， 張倩

(國(guó)家海洋技術(shù)中心， 天津 300112)

0 引言

海洋資料浮標(biāo)是海洋環(huán)境長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基本手段，是保障國(guó)家海洋安全、提高海洋科學(xué)研究水平、增強(qiáng)災(zāi)害預(yù)警能力的重要技術(shù)保障。從20世紀(jì)40年代末開(kāi)始，國(guó)外就開(kāi)始了海洋資料浮標(biāo)的研發(fā)工作，美國(guó)國(guó)家資料浮標(biāo)中心從創(chuàng)立開(kāi)始至今，一直致力于浮標(biāo)體、錨泊系統(tǒng)、傳感器集成于通信等技術(shù)的研發(fā)工作。美國(guó)伍茲霍爾研究所作為海洋研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，也有著多年海洋浮標(biāo)的研制經(jīng)驗(yàn)。伴隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，浮標(biāo)的體積和質(zhì)量不斷減小，建造成本不斷降低，而浮標(biāo)測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸、可靠性的提高則加強(qiáng)了浮標(biāo)連續(xù)工作的能力。浮標(biāo)的研究重點(diǎn)也從優(yōu)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向優(yōu)化浮標(biāo)的內(nèi)部系統(tǒng)。我國(guó)浮標(biāo)研制工作起步于20世紀(jì)60年代，由單一參數(shù)測(cè)量浮標(biāo)逐漸發(fā)展為多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，整體技術(shù)水平已接近世界先進(jìn)水平，并擁有多種型號(hào)(直徑分別為10 m、6 m、3 m、2.4 m和2 m等)和不同功能(水文氣象監(jiān)測(cè)、海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急核輻射監(jiān)測(cè)等)的浮標(biāo)，特別是10 m大型浮標(biāo)和3 m小型浮標(biāo)在國(guó)內(nèi)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋科學(xué)研究中發(fā)揮了重要的作用。

浮標(biāo)在海上受到風(fēng)、浪、流等作用時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生搖蕩，進(jìn)而影響浮標(biāo)上測(cè)量?jī)x器設(shè)備的測(cè)量精度，同時(shí)在各種載荷作用下浮標(biāo)會(huì)發(fā)生大范圍位移，因此對(duì)其錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高要求。與其他海洋工程裝備相比，浮標(biāo)的錨泊系統(tǒng)所占比重較大，錨泊系統(tǒng)對(duì)標(biāo)體的運(yùn)動(dòng)和受力影響較大，耦合效應(yīng)明顯，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的水動(dòng)力特性分析十分必要。因此，研究浮標(biāo)及其錨泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性，驗(yàn)證其能否在復(fù)雜海況下工作，提高觀測(cè)要素的測(cè)量精度，一直是海洋資料浮標(biāo)設(shè)計(jì)與研制的重點(diǎn)問(wèn)題。

目前，對(duì)于浮標(biāo)水動(dòng)力特性研究的主要方法包括理論分析、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。其中理論分析需要建立理想的模型，對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行各種簡(jiǎn)化處理，而浮標(biāo)系統(tǒng)在海上風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力響應(yīng)，屬于一個(gè)較復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，因此理論分析的范圍比較局限?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)雖然是海洋浮標(biāo)最直接、準(zhǔn)確的研究方法，但是試驗(yàn)成本較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及試驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘瑪?shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)成為海洋浮標(biāo)最主要的研究手段，在數(shù)值模擬方面，F(xiàn)luent、AWQA、ADAMS、RecurDyn等數(shù)值模擬工具可很好地進(jìn)行流體與固體耦合、多體動(dòng)力學(xué)和錨泊系統(tǒng)的非線性等水動(dòng)力學(xué)分析。在物理模型試驗(yàn)方面，多個(gè)大型多功能波浪水池的建立為浮標(biāo)模型試驗(yàn)提供了完備的試驗(yàn)平臺(tái)。盡管如此，我國(guó)對(duì)于海洋浮標(biāo)系統(tǒng)的研究仍需要進(jìn)一步深入，這是因?yàn)殡m然我國(guó)浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)較為豐富，但對(duì)于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證手段仍需進(jìn)一步提高。同時(shí)，我國(guó)采用數(shù)值模擬研究較多，而物理模型試驗(yàn)仍不夠系統(tǒng)，二者之間的驗(yàn)證也不夠充分。

本文針對(duì)威海海域水文情況，采用數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)風(fēng)浪作用下半拉緊式、倒s式和松弛式3種不同錨泊系統(tǒng)對(duì)海洋浮標(biāo)水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行研究與分析，所得研究結(jié)果對(duì)于國(guó)家海洋試驗(yàn)場(chǎng)海洋浮標(biāo)的研制及其他浮標(biāo)應(yīng)用，具有重要參考意義。

1 威海海域情況與錨泊系統(tǒng)方案

山東威海北部褚島海域，需要布置3 m多參數(shù)海洋綜合浮標(biāo)以長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)觀測(cè)海域的水文氣象等環(huán)境背景場(chǎng)情況，由于該海域需要建設(shè)國(guó)家海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)，服務(wù)于我國(guó)海洋儀器設(shè)備科技創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化與業(yè)務(wù)化應(yīng)用，對(duì)海域環(huán)境背景場(chǎng)數(shù)據(jù)的要求較高。該海域四季分明，與同緯度的內(nèi)陸相比，具有雨水豐富、氣溫適中、氣候溫和的特點(diǎn)，屬溫帶季風(fēng)型氣候。根據(jù)2008年威海氣象臺(tái)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，全年平均風(fēng)速4.1 m/s，全年各向風(fēng)速大于5.4 m/s的概率為28.8%，風(fēng)速大于8 m/s的概率為8.3%。2013年與2015年，國(guó)家海洋技術(shù)中心分別采用了松弛式與半拉緊的錨泊方式對(duì)海域進(jìn)行了全年的波浪觀測(cè)。其中2013年的觀測(cè)數(shù)據(jù)按月份統(tǒng)計(jì)如表1所示。

錨泊系統(tǒng)的方案參照美國(guó)國(guó)家資料浮標(biāo)中心規(guī)定，浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)根據(jù)布放水深不同，可以分為淺海 區(qū)、中等深度海區(qū)、深海區(qū)3種標(biāo)準(zhǔn)型式。在水深小于60 m淺海區(qū)，采用全錨鏈松弛式系留，錨泊系統(tǒng)深長(zhǎng)比根據(jù)海流強(qiáng)弱來(lái)確定，一般為1∶3～1∶5；對(duì)于水深介于60～600 m中等深度海區(qū)，一般采用半拉緊式錨鏈與尼龍繩混合串接的系留方式，錨泊系統(tǒng)深長(zhǎng)比為1∶0.9；水深600 m以上的海區(qū)，錨泊系統(tǒng)采用倒s式系統(tǒng)，采用錨鏈、浮球、聚丙烯纜等組成，深長(zhǎng)比小于1∶1.25.考慮到由于該海域的水深約70 m，介于淺水與中等水深之間，因此有必要對(duì)風(fēng)浪作用下，3個(gè)不同錨泊系統(tǒng)形式下的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究與分析，以確定最佳方案。

表1 褚島2013年實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Measured wave data of Chu Island in 2013

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

圖1 海洋資料浮標(biāo)數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Numerical model and mesh of ocean data buoy

海洋資料浮標(biāo)的數(shù)值網(wǎng)格模型、網(wǎng)格劃分及坐標(biāo)系如圖1所示，其中為模型坐標(biāo)系，沿軸方向正向?yàn)轱L(fēng)浪的進(jìn)行方向。

利用ANSYS AQWA軟件模塊，對(duì)海洋資料浮標(biāo)原型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其主要環(huán)境參數(shù)與浮標(biāo)原型尺寸如表2所示。

表2 主要環(huán)境參數(shù)與浮標(biāo)原型尺寸Tab.2 Main enviromental parameters and buoy prototype sizes

對(duì)3種不同錨泊系統(tǒng)形式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其中，錨鏈的截面面積為0003 m，剛度為23×10N/m基于海上試驗(yàn)場(chǎng)當(dāng)?shù)厮顬?0 m，設(shè)置半拉緊式的錨鏈長(zhǎng)度為72 m，懸鏈模型采用線性模型，單位寬度質(zhì)量為5 kg/m；松弛式與倒s式的錨鏈長(zhǎng)度取3倍水深，即210 m；懸鏈模型采用非線性模型，懸鏈微元420個(gè)，單位寬度質(zhì)量為5 kg/m，其中浮力纜部分設(shè)為零浮力。

考慮到波浪對(duì)于浮標(biāo)的作用力中流體黏性的影響相對(duì)較小，對(duì)運(yùn)動(dòng)和載荷的計(jì)算可以忽略，因此采用三維勢(shì)流理論進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，即假設(shè)流體是不可壓縮、無(wú)黏性和無(wú)旋的。同時(shí)對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用頻域和時(shí)域兩種計(jì)算方法，并考慮輻射阻尼的作用，對(duì)浮標(biāo)水動(dòng)力系數(shù)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。控制方程如(1)式所示：

(1)

式中：為速度勢(shì)，海表邊界條件應(yīng)滿足：

(2)

為重力加速度，海底邊界條件應(yīng)滿足：

(3)

為水深?？紤]靜水回復(fù)力和波浪入射和繞射的作用下，1階頻域運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

式中：為質(zhì)量矩陣；為附加質(zhì)量矩陣；為入射波頻率；為浮標(biāo)在6個(gè)自由度的位移，取1～6，分別對(duì)應(yīng)縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖、艏搖；為輻射阻尼矩陣；為回復(fù)力矩陣；為1階波浪力矩陣。

除了進(jìn)行頻域計(jì)算分析，還對(duì)浮標(biāo)體在各種受力條件下時(shí)域運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，其中波浪荷載與風(fēng)荷載是作用在浮標(biāo)上的主要荷載。波浪荷載作用浮標(biāo)時(shí)可利用莫里森公式計(jì)算：

(5)

風(fēng)荷載主要作用在浮標(biāo)水面以上的部分，以水平分量為主，垂直分量可忽略不計(jì)，其大小為

=0613，

(6)

式中：為風(fēng)荷載；、分別表示浮標(biāo)體受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)和形狀系數(shù)，其中由于浮標(biāo)在海面上高度低于153 m，故高度系數(shù)取10，形狀系數(shù)中海面上浮標(biāo)體部分取05，太陽(yáng)能電池板取10，塔架桿件取13；為風(fēng)速(m/s)；為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的正投影面積面積。

當(dāng)風(fēng)浪荷載耦合時(shí)產(chǎn)生了耦合運(yùn)動(dòng)，其時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程為

(7)

式中：、分別為線性和二次阻尼矩陣；為每個(gè)單元的矢量函數(shù)；為激振力矢量，主要包括風(fēng)力、1階波浪力、2階波浪力和其他作用力等。

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用頻域計(jì)算模塊對(duì)浮標(biāo)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算，浮標(biāo)垂蕩、縱搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(RAO)曲線分別如圖2(a)、圖2(b)所示。從垂蕩RAO曲線可以看出：曲線逐漸接近于1，說(shuō)明浮標(biāo)在大周期的情況下隨著波浪做等輻振動(dòng)，隨波性良好；波浪在常見(jiàn)波浪范圍內(nèi)，縱搖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且幅值較小，特別是長(zhǎng)周期波浪縱搖非常小，浮標(biāo)姿態(tài)比較穩(wěn)定，縱搖固有周期為1.86 s.

圖2 垂蕩與縱搖RAOsFig.2 Heaving and pitching RAOs

采用時(shí)域模塊，對(duì)風(fēng)浪同時(shí)作用下3種不同錨泊系統(tǒng)的浮標(biāo)姿態(tài)與錨鏈?zhǔn)芰η闆r進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)比較橫搖、縱搖與錨鏈拉力的情況，結(jié)果如圖3～圖5所示。從圖3～圖5中可以看出：半拉緊式的浮標(biāo)橫搖角與縱搖角最小，平均橫搖角為0.8°，平均縱搖角為5.9°，倒s式的橫搖角與縱搖角最大，平均橫搖角為5.3°，平均縱搖角為6.3°，松弛式計(jì)算結(jié)果介于二者之間；倒s式錨鏈?zhǔn)芾ψ钚?，平均值?50 N，半拉緊式錨鏈?zhǔn)芾ψ畲?，平均值? 360 N，前者是后者的23%.

圖3 3種錨泊系統(tǒng)橫搖對(duì)比Fig.3 Rolling comparison of three types of mooring systems

圖4 3種錨泊系統(tǒng)縱搖對(duì)比Fig.4 Pitching comparison of three types of mooring systems

圖5 3種錨泊系統(tǒng)拉力對(duì)比Fig.5 Tensile force comparison of three types of mooring systems

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及布局

試驗(yàn)在自然資源部國(guó)家海洋技術(shù)中心動(dòng)力環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，本次海洋資料浮標(biāo)的物理模型試驗(yàn)設(shè)施及設(shè)備包括：

1)多功能水池：長(zhǎng)130 m，寬18 m，池深6 m，試驗(yàn)水深4.5 m.

2)造波機(jī)：自研制10單元伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式推板造波機(jī)，最大波高0.6 m，周期范圍0.5～5.0 s，由上位機(jī)軟件控制，可模擬產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。

3)造風(fēng)系統(tǒng)：自研制，由16單元軸流風(fēng)機(jī)組成，最大風(fēng)速10 m/s.

4)雙線性型BG-II波高傳感器：量程0～1 m，精度0.2%.

5)Testo熱敏風(fēng)速儀405i：量程0～30 m/s，精度±0.1 m/s+測(cè)量值的5%。

6)DDEN水下拉力傳感器：量程250 N，精度0.1%.

7)6自由度非接觸姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)：自研制，三光學(xué)鏡頭組成，量程6 m×6 m，搖擺角誤差±1.5°，水平位移誤差1.5 mm，垂蕩誤差2 mm.

按照我國(guó)海洋行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HY/T 0299—2020 海洋觀測(cè)儀器設(shè)備室內(nèi)動(dòng)力環(huán)境模型試驗(yàn)方法 總則規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)布局。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)環(huán)境模擬裝置、浮標(biāo)模型與測(cè)量采集系統(tǒng)。其中，試驗(yàn)環(huán)境模擬裝置包括造波機(jī)與造風(fēng)機(jī)。前者為10單元伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式推板造波機(jī)，最大波高0.6 m，周期范圍0.5～5.0 s，由上位機(jī)軟件控制，可模擬產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波，消波灘可消除90%的反射波。后者為16單元軸流風(fēng)機(jī)組成的造風(fēng)機(jī)，最大風(fēng)速10 m/s，可由上位機(jī)軟件控制不同的風(fēng)速。浮標(biāo)模型包括浮體及其錨泊系統(tǒng)，錨泊系統(tǒng)可進(jìn)行更換。測(cè)量采集系統(tǒng)包括：波高儀、風(fēng)速儀、6自由度姿態(tài)儀及拉力傳感器。各測(cè)量傳感器集成在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，保持?jǐn)?shù)據(jù)的同步性。

浮標(biāo)模型布放在距造波機(jī)30 m，距造風(fēng)機(jī)20 m處，波高儀與風(fēng)速儀布放在模型前5 m處，水下拉力傳感器安裝在模型與錨泊系統(tǒng)連接部位，6自由非接觸姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)布置在模型背浪一側(cè)的斜上方距離5 m附近，如圖6所示。試驗(yàn)前需在模型上安裝標(biāo)志點(diǎn)，以滿足測(cè)量需要。試驗(yàn)儀器均在計(jì)量有效期內(nèi)，試驗(yàn)前也均進(jìn)行了標(biāo)定。

圖6 試驗(yàn)布局Fig.6 Test layout

3.2 模型及相似準(zhǔn)則

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芰εc浮標(biāo)原型尺寸，確定模型比尺為1∶5，設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮滿足幾何相似，除幾何相似外，浮標(biāo)模型還滿足了慣性矩和自搖周期相似，并且滿足重力相似；其3種錨系結(jié)構(gòu)的組成，除滿足長(zhǎng)度等幾何相似外，還滿足了質(zhì)量和彈性相似。由于本次模型試驗(yàn)，水的黏滯力不是主要作用力，試驗(yàn)中并沒(méi)有考慮雷諾數(shù)的影響。

試驗(yàn)前，首先進(jìn)行壓載調(diào)整，并通過(guò)調(diào)整壓載分布調(diào)整質(zhì)量、重心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其達(dá)到目標(biāo)值。模型考慮了上層結(jié)構(gòu)及其搭載傳感器等，以保證能夠較合理的模擬原型的受風(fēng)面積。模型主要參數(shù)如表3所示。

表3 模型主要參數(shù)Tab.3 Parameters of model

試驗(yàn)中采用3種錨系方案如圖7所示，分別為松弛式、倒s式和半拉緊式。松弛式錨泊系統(tǒng)由錨鏈- 彈簧- 錨鏈組成，倒s式由錨鏈- 浮力纜- 普通纜- 錨鏈組成，半拉緊式由錨鏈- 普通纜- 錨鏈組成，錨塊質(zhì)量為20 kg，錨鏈質(zhì)量與尺寸與原型保持相似。試驗(yàn)前對(duì)錨泊系統(tǒng)的水平剛度進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖7 3種錨泊系統(tǒng)示意圖(上)與模型(下)Fig.7 Sketch map (upper) and models (below) of three types of mooring systems

3.3 試驗(yàn)工況

威海海域四季分明，冬季受季風(fēng)影響顯著，風(fēng)浪較大，春季季風(fēng)轉(zhuǎn)向，風(fēng)浪逐漸減小，由于所在海域緊鄰大陸，受夏季季風(fēng)向影響的風(fēng)浪無(wú)法成長(zhǎng)，故夏季風(fēng)浪較小?；谏鲜龇治鰧⒑Ｓ蚝r按季節(jié)進(jìn)行劃分開(kāi)展試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)極值月(1月)作為單獨(dú)工況進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證其在惡劣海況下的水動(dòng)力性能。原型實(shí)際海況如表4所示。

根據(jù)原型工作海況，按照縮尺比計(jì)算，得到試驗(yàn)工況如表5所示，3種錨泊系統(tǒng)方案、每組5個(gè)工況，共計(jì)15組工況。試驗(yàn)中，首先繼續(xù)風(fēng)場(chǎng)模擬，待風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定后，進(jìn)行不規(guī)則波模擬。不規(guī)則波采用北海聯(lián)合海浪計(jì)劃譜，每組工況保證采集到波個(gè)數(shù)大于100.

表4 原型實(shí)際海況Tab.4 Actual sea conditions of prototype

表5 模型試驗(yàn)工況Tab.5 Test conditions of model

3.4 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

采用最具代表性的極值月(工況5)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)3種錨泊系統(tǒng)下浮標(biāo)模型的響應(yīng)進(jìn)行分析。首先，對(duì)于松弛式錨泊系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見(jiàn)：錨鏈所受最大的瞬時(shí)拉力13.3 N(見(jiàn)圖8(c))；模型在原點(diǎn)0.2 m附近進(jìn)行小幅度橫蕩運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖8(d))；由于風(fēng)的作用，模型首先產(chǎn)生了1.5 m的縱蕩運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波浪作用于模型后，模型在1.0 m范圍內(nèi)進(jìn)行較大范圍的運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖8(e))；模型的垂蕩幅度與波幅相近，隨波性良好；模型有較大的搖擺運(yùn)動(dòng)，最大縱搖角達(dá)到20°(見(jiàn)圖8(h))，橫搖運(yùn)動(dòng)不明顯，維持在4°范圍內(nèi)(見(jiàn)圖8(g))；風(fēng)的作用對(duì)初始艏搖角影響較大，穩(wěn)定后，在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，艏搖角維持在40°范圍內(nèi)(見(jiàn)圖8(i))。

圖8 松弛式錨泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of slack type mooring system model

倒s式錨泊系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：錨鏈所受最大的瞬時(shí)拉力僅為10 N(見(jiàn)圖9(c))；模型在原點(diǎn)1 m附近進(jìn)行大幅度橫蕩運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖9(d))；由于風(fēng)的作用，模型首先產(chǎn)生了3 m左右的縱蕩運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波浪作用于模型后，模型在1 m范圍內(nèi)進(jìn)行較大范圍的運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖9(e))；模型的垂蕩幅度同樣與波幅相近，隨波性良好；模型產(chǎn)生了顯著的搖擺運(yùn)動(dòng)，最大橫搖和縱搖角都達(dá)到了15°以上(見(jiàn)圖9(g)與圖9(h))；艏搖角沒(méi)有明顯的穩(wěn)定位置，在風(fēng)浪聯(lián)合作用下存在60°左右的運(yùn)動(dòng)范圍(見(jiàn)圖9(i))。

對(duì)于半拉緊式錨系試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：錨鏈所受最大瞬時(shí)拉力超過(guò)了80 N(見(jiàn)圖10(c))；浮標(biāo)模型在較小的范圍內(nèi)做橫蕩與縱蕩運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖10(d)與圖10(e))；模型的垂蕩運(yùn)動(dòng)明顯受到錨鏈拉力的影響，向水下方向的位移較大(見(jiàn)圖10(f))；模型的搖擺運(yùn)動(dòng)相對(duì)前兩組的試驗(yàn)結(jié)果較小，其中橫搖平均值為0.69°(見(jiàn)圖10(g))，縱搖平均值為1.15°(見(jiàn)圖10(h))；風(fēng)的作用對(duì)初始艏搖角影響較大，穩(wěn)定后，在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，艏搖角維持在20°范圍內(nèi)(見(jiàn)圖10(i))。

將試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)比尺換算，得到原型數(shù)據(jù)如表6所示。通過(guò)圖3～圖5與圖8～圖10對(duì)比來(lái)看，對(duì)于3種錨泊系統(tǒng)的定性結(jié)論是一致的：在松弛式、倒s式與半拉緊式3種錨泊系統(tǒng)方案中，采用半拉緊式錨泊系統(tǒng)，浮標(biāo)模型的搖蕩更小，可獲取到更為準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是錨鏈所受拉力最大；倒s式錨泊系統(tǒng)錨鏈所受拉力小、可靠性高，但是搖蕩較大；松弛式錨泊系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果則介于半拉緊式和倒s式之間。如果定量來(lái)看，通過(guò)對(duì)比分析，數(shù)值計(jì)算與物理模型試驗(yàn)結(jié)果在拉力、橫搖、縱搖有大約10%左右的偏差，造成偏差的原因有以下3個(gè)方面：1)計(jì)算軟件的原因，ANSYS AQWA軟件基于勢(shì)流理論，在計(jì)算的過(guò)程中存在很多的假設(shè)；2)試驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生的誤差，風(fēng)場(chǎng)質(zhì)量和反射波的影響都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響；3)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的不確定性因素，試驗(yàn)中，波高儀、風(fēng)速儀、姿態(tài)儀、拉力計(jì)，都存在著系統(tǒng)誤差，會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。

由表6可以看出：

1)倒s式錨泊系統(tǒng)的布放較方便，由于其系泊纜所受拉力較小，其抵抗極端環(huán)境的能力更強(qiáng)，維護(hù)周期更長(zhǎng)。但其浮標(biāo)在風(fēng)浪作用下?lián)u擺比較劇烈，因此觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度會(huì)受到較大的影響，數(shù)據(jù)應(yīng)采用相關(guān)算法進(jìn)行修正后方可應(yīng)用。

2)半拉緊式錨泊系統(tǒng)的定點(diǎn)觀測(cè)效果最好，巡航半徑較小，同時(shí)由于其在風(fēng)浪作用下?lián)u擺角更小，其內(nèi)置的波浪傳感器、搭載的風(fēng)速傳感器等獲取的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，但是其對(duì)錨泊系統(tǒng)要求較大，系泊纜所受瞬時(shí)拉力較大，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生疲勞，應(yīng)定期進(jìn)行巡檢和維護(hù)。

3)松弛式浮標(biāo)工作姿態(tài)和錨泊系統(tǒng)可靠性介于半拉緊式和倒s式之間，在選擇錨泊系統(tǒng)方式時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析與判斷。

圖9 倒s式錨泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of inverted s-type mooring system model

表6 原型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖10 半拉緊式錨泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of half-tension type mooring system model

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)研究的方法，針對(duì)3種典型不同錨泊系統(tǒng)方案，采用威海海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)海洋浮標(biāo)在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究與分析，通過(guò)試驗(yàn)不僅定性分析了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，而且得到了相對(duì)準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果，為今后類(lèi)似研究提供了方法參考。得到如下主要結(jié)論：

1)在松弛式、倒s式與半拉緊式3種錨泊系統(tǒng)方案中，采用半拉緊的錨泊系統(tǒng)可獲取到更為準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，倒s式的錨泊系統(tǒng)可靠性則更高，松弛式的錨泊系統(tǒng)的性能則介于二者之間。

2)國(guó)家海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)(威海)作為國(guó)家海洋儀器裝備公共試驗(yàn)與測(cè)試平臺(tái)，對(duì)海域背景數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求較高。本文研究成果已應(yīng)用在建立該試驗(yàn)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)海洋環(huán)境背景場(chǎng)所需的浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)中，運(yùn)行狀態(tài)良好。