路 寬， 王花梅， 宋雨澤， 饒 翔

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

近年來(lái)，海上平臺(tái)除了應(yīng)用在傳統(tǒng)的海上油氣開采領(lǐng)域外，也在其他新興領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的應(yīng)用，如海洋能發(fā)電、海洋牧場(chǎng)、海上試驗(yàn)、海洋軍事等等。唐友剛等[1]對(duì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(floating production storage and offloading, FPSO)與水下軟剛臂及錨纜多體進(jìn)行了耦合水動(dòng)力分析，丁勤衛(wèi)等[2-3]對(duì)海上漂浮式風(fēng)機(jī)的水動(dòng)力進(jìn)行了分析研究，凌宏杰等[4]針對(duì)近島礁浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，還有針對(duì)深水浮式海洋平臺(tái)[5]、多浮體海上平臺(tái)[6]、半潛式平臺(tái)[7]等新興應(yīng)用領(lǐng)域的海上平臺(tái)的水動(dòng)力開展了深入的研究工作。與傳統(tǒng)海洋平臺(tái)相比，此類平臺(tái)多采用半潛式、立柱式或張力腿式，工程造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。但同時(shí)，由于此類平臺(tái)為了滿足應(yīng)用需求，往往選擇布放在海況惡劣的海域，如海上試驗(yàn)平臺(tái)需要典型或極端海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)，海洋能發(fā)電平臺(tái)也需要布放在海上風(fēng)能、波浪能或潮流能資源集中的海域，這就對(duì)海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。通常情況下，此類平臺(tái)在設(shè)計(jì)海況下的安全性是具有保障的，然而在實(shí)際運(yùn)行中，由于臺(tái)風(fēng)等極端海況頻發(fā)，超設(shè)計(jì)海況的發(fā)生概率呈增加趨勢(shì)，一旦發(fā)生超設(shè)計(jì)海況，平臺(tái)隨時(shí)會(huì)發(fā)生損壞，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重的威脅。

位于國(guó)家海洋試驗(yàn)場(chǎng)的“國(guó)海試1”海上試驗(yàn)平臺(tái)，為漂浮式海上試驗(yàn)平臺(tái)，主要服務(wù)于海洋儀器設(shè)備規(guī)范化海上試驗(yàn)與測(cè)試工作，為我國(guó)海洋儀器科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化提供公共試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)自2019年9月下水運(yùn)行以來(lái)，已連續(xù)在位運(yùn)行一年以上，服務(wù)了10余項(xiàng)科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題驗(yàn)收海試工作。在位運(yùn)行期間，由于先后經(jīng)歷了2次極端海況，造成了輕微的走錨現(xiàn)象，為了避免出現(xiàn)更為嚴(yán)重的破壞，有必要對(duì)其錨泊系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與改造。

漂浮式海上平臺(tái)的抗風(fēng)浪能力很大程度上由錨泊系統(tǒng)決定[8-9]，特別是在極端海況下，錨泊系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，因此有必要針對(duì)不同錨系形式下平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析與比較。目前，對(duì)于海上平臺(tái)水動(dòng)力特性研究的主要方法包括理論分析、數(shù)值模擬[10-11]、物理模型試驗(yàn)[12-15]和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。近年來(lái)，隨著超算中心與大型波浪水池的建立，數(shù)值模擬與物理模型方法成為研究此類問題最主要的手段。本文在應(yīng)用威海海域?qū)崪y(cè)與重現(xiàn)期推算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)不同錨系下該漂浮式海上試驗(yàn)平臺(tái)在極端海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析與比較，研究結(jié)果為錨泊系統(tǒng)的改造提供了依據(jù)。

1 威海海域情況與錨系方案

“國(guó)海試1”海上試驗(yàn)平臺(tái)布放于山東省威海市褚島北部海域，該海域海底地形起伏較大，島北部近岸水下形成一條海溝，成東西向分布，最大水深約70 m，平臺(tái)如圖1所示。

圖1 “國(guó)海試1”海上試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 National Sea Trial 1 platform

根據(jù)2019年海域?qū)崪y(cè)資料統(tǒng)計(jì)，全年平均風(fēng)速4.1 m/s，風(fēng)速大于8 m/s的頻率為8.3%。2013年和2015年，國(guó)家海洋技術(shù)中心通過多參數(shù)綜合浮標(biāo)搭載的波浪傳感器對(duì)海域進(jìn)行了全年的波浪觀測(cè)，并采用ADCP對(duì)平臺(tái)布放點(diǎn)位進(jìn)行了大小潮的觀測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)海域不同重現(xiàn)期的風(fēng)、浪和流進(jìn)行了推算，結(jié)果如表1所示。

表1 平臺(tái)所在海域風(fēng)浪流重現(xiàn)期推算結(jié)果Tab.1 Extreme sea area condition of the platform

當(dāng)前平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)采用的是拉緊的V型鏈方式，錨鏈為長(zhǎng)度為82.5 m，直徑32 mm的AM2龍須鏈，錨塊采用2 100 kg的AC-14大抓力錨。改進(jìn)后的錨泊系統(tǒng)考慮采用倒S松弛式，即浮筒與趟地鏈相結(jié)合的方式，在V型鏈末端增加浮筒，同時(shí)連接錨塊的主鏈由55 m增加到165 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

利用ANSYS AQWA模塊，對(duì)平臺(tái)原型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，平臺(tái)的數(shù)值模型與建立的坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 海上試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of platform

平臺(tái)全局采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在棱角處與月池的部分用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行處理。計(jì)算時(shí)，風(fēng)浪流外荷載取值見表1，方向?yàn)橥：Ｓ驑O端波浪方向，即x方向。其他主要的環(huán)境參數(shù)與尺寸，如表2所示。

對(duì)兩種不同錨系形式分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，原方案為拉緊的V型鏈方式，錨鏈參數(shù)如前所述。改進(jìn)之后的方案，錨定點(diǎn)位置不變，將同一側(cè)的連接點(diǎn)至錨定點(diǎn)的系泊纜長(zhǎng)度增加至137.5 m，形成“松弛式”的系泊形式。

表2 主要計(jì)算參數(shù)Tab.2 Main calculation parameters

考慮到波浪是主要外荷載，而波浪對(duì)于平臺(tái)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)流體式不可壓縮、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)平臺(tái)水動(dòng)力系數(shù)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)繼續(xù)數(shù)值計(jì)算分析?？刂品匠倘缡?1)所示

(1)

式(1)為拉普拉斯方程，可應(yīng)用速度勢(shì)φ，來(lái)表達(dá)流場(chǎng)內(nèi)的流體速度分布

(2)

邊界條件應(yīng)滿足

(3)

(4)

在水中平臺(tái)所受到的波浪力和力矩為

F=-?S(p·n)dS=Fr+Fw+Fd+Fs

(5)

M=-?Sp·(r×n)dS=Mr+Mw+Md+Ms

(6)

式中：Fr，Mr為平臺(tái)強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射荷載；Fw，Mw為平臺(tái)固定時(shí)入射波產(chǎn)生的荷載；Fd，Md為平臺(tái)固定時(shí)產(chǎn)生的繞射荷載；Fs，Ms為靜水荷載；S為濕面積；p為壓力。

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

(7)

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；Uw為風(fēng)速；Ch，Cs分別為平臺(tái)體受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)和形狀系數(shù)，其中由于平臺(tái)在海面上高度低于15.3 m，故高度系數(shù)取1.0。形狀系數(shù)吃水線以上取1.0，船艙取1.5，An為受風(fēng)面積。

流荷載作用于平臺(tái)的水下部分，其大小為

(8)

式中：CD為拖曳系數(shù)，此處取1.0；ρs為海水密度；Ac為迎流面積；Uc為流速。

實(shí)際海況下，主要的環(huán)境荷載為波浪、潮流與風(fēng)的耦合作用為主要荷載，分析耦合荷載作用時(shí)需要從頻域和時(shí)域兩個(gè)方面考慮。在頻域分析中，以波浪頻率ω為研究變量，平臺(tái)在海上除了收到風(fēng)、浪、流影響之外，還包括了自身運(yùn)動(dòng)偏離平衡位置產(chǎn)生的靜水回復(fù)力，與運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的波浪入射和繞射的作用力，其一階頻域方程為

(9)

式中：Xj為平臺(tái)在j方向的位移運(yùn)動(dòng)；M為質(zhì)量矩陣；Ma為附加質(zhì)量矩陣；C為輻射阻尼矩陣；K為回復(fù)力矩陣；F為一階波浪力矩陣。

在入射荷載僅考慮一階項(xiàng)時(shí)，問題即簡(jiǎn)化為線性求解，在頻域分析求解十分方便，但本文考慮入射荷載不能忽略二階項(xiàng)，因此需要利用時(shí)域分析方法，將非線性項(xiàng)納入方程求解。根據(jù)傅里葉變換，式(9)轉(zhuǎn)換為時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

(10)

式中：K(t-τ)為延遲函數(shù)；F(t)為作用在平臺(tái)的波浪力，包括一階和二階波浪荷載。

2.2 計(jì)算結(jié)果

由于附加質(zhì)量與輻射阻尼對(duì)計(jì)算結(jié)果具有很大的影響，因此首先對(duì)平臺(tái)進(jìn)行頻域計(jì)算，以獲得附加質(zhì)量與輻射阻尼系數(shù)。平臺(tái)的縱搖運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量和輻射阻尼，如圖3所示。

圖3 縱搖附加質(zhì)量與輻射阻尼Fig.3 Added mass and radiation damping of pitching

采用時(shí)域模塊對(duì)兩種不同錨泊形式的百年、五十年、二十五年、二十年、十年、五年和兩年一遇重現(xiàn)期的風(fēng)浪流作用下，平臺(tái)姿態(tài)與錨鏈?zhǔn)芰η闆r進(jìn)行了計(jì)算。選擇最具代表性的百年一遇結(jié)果進(jìn)行作圖比較與分析，兩種錨系形式下，平臺(tái)的縱搖、橫蕩與錨鏈拉力的計(jì)算結(jié)果，如圖4～圖6所示。

從圖4的計(jì)算結(jié)果可看出，張緊式錨系形式下平臺(tái)的縱搖運(yùn)動(dòng)明顯小于松弛式的錨系形式，前者最大與平均縱搖角分別為16°和3.5°，后者最大與平均縱搖角分別17.5°和6.1°，這說明，張緊式錨系形式在極端海況下穩(wěn)定性更好。

圖4 百年一遇重現(xiàn)期下兩種錨系形式縱搖對(duì)比Fig.4 Pitching comparison of two types of mooring system in a-hundred-year recurrence period

從圖5橫蕩運(yùn)動(dòng)的對(duì)比可以看出，兩種錨系形式均在初始位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，張緊式的運(yùn)動(dòng)范圍大致為±10 m，松弛式運(yùn)動(dòng)范圍從-30～40 m?？梢?，在極端海況下，拉緊的錨系形式漂浮的范圍更小，更有利于定點(diǎn)試驗(yàn)。

圖5 百年一遇重現(xiàn)期下兩種錨系形式橫蕩對(duì)比Fig.5 Swelling comparison of two types of mooring system in a-hundred-year recurrence period

圖6為兩者錨鏈拉力的對(duì)比情況可以看出，張緊式比松弛式的拉力值整整高了一個(gè)量級(jí)，前者最大拉力達(dá)到了近5 000 kN，平均拉力為250 kN，后者最大拉力只有360 kN，平均拉力為180 kN，后者最大拉力為前者的7.2%，考慮到破斷荷載為583 kN，因此張緊式錨鏈具有較大斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 百年一遇重現(xiàn)期下兩種錨系形式拉力對(duì)比Fig.6 Force comparison of two types of mooring system in a-hundred-year recurrence period

可以看出，百年一遇風(fēng)浪流重現(xiàn)期下，雖然拉緊的錨系形式對(duì)于平臺(tái)的穩(wěn)定性較好，但拉力已超出錨泊系統(tǒng)的承受能力，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)走錨或者錨鏈斷裂的危險(xiǎn)；而改進(jìn)后的松弛式錨系形式，雖然穩(wěn)性不如前者，但抗極端海況的能力更強(qiáng)，安全性與生存性更高。

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及布局

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，開展了模型試驗(yàn)，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，主要試驗(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)——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，周期范圍為0.5～5 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)——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/1000MM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+5%；

(6) AML_DDEN水下拉力傳感器——量程250 N，精度0.1%；

(7) 六自由度非接觸姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)——三光學(xué)鏡頭組成，量程6 m×6 m，搖擺角誤差為±1.5°，水平位移誤差為1.5 mm，垂蕩誤差為2 mm。

按照海洋行業(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)定搭建試驗(yàn)環(huán)境并開始試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)包括：試驗(yàn)環(huán)境模擬裝置、平臺(tái)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)、造風(fēng)機(jī)與等效水流力模擬裝置。平臺(tái)模型包括平臺(tái)主體及其錨泊系統(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、六自由度姿態(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)的實(shí)時(shí)性與同步性。

平臺(tái)模型布放在距造波機(jī)40 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錨泊系統(tǒng)與錨塊連接部位，六自由非接觸姿態(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，安裝由滑輪、拉力線與砝碼組成的水流力模擬裝置，拉力點(diǎn)與模型重心保持水平。試驗(yàn)布局如圖7所示。試驗(yàn)前需在模型上安裝標(biāo)志點(diǎn)，以滿足姿態(tài)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7 試驗(yàn)布局Fig.7 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平臺(tái)原型尺寸，確定模型比尺為1∶30，模型主要參數(shù)如表3所示。設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮滿足幾何相似，除幾何相似外，模型還滿足了慣性矩和自搖周期相似，并且滿足重力相似；其兩種錨系結(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，因此試驗(yàn)中并沒有考慮雷諾數(shù)的影響。

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

試驗(yàn)前先進(jìn)行了平臺(tái)模型重心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)節(jié)，并進(jìn)行了模型及錨泊系統(tǒng)的整體剛度驗(yàn)證，模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.8 Test model

試驗(yàn)中采用兩種錨系方案，如圖9所示，分別為張緊式、帶浮筒的倒S松弛式。張緊式錨泊系統(tǒng)由V型鏈-萬(wàn)向節(jié)-主鏈-錨塊組成，松弛式由V型鏈-萬(wàn)向節(jié)-浮筒-彈簧-主鏈-錨塊組成，錨塊質(zhì)量為50 kg，錨鏈質(zhì)量與尺寸與原型保持相似。

圖9 兩種錨泊系統(tǒng)方案Fig.9 Two types of mooring system

3.3 試驗(yàn)工況

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4所示，模型和原型的波浪均為深水波。兩種錨系方案，每組7個(gè)試驗(yàn)工況，工況1～工況7分別對(duì)應(yīng)原型百年、五十年、二十五年、二十年、十年、五年和兩年一遇重現(xiàn)期。試驗(yàn)中，首先進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬，待風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定后，加載砝碼模擬水流作用力，穩(wěn)定后，進(jìn)行不規(guī)則波的模擬。不規(guī)則波采用與實(shí)測(cè)譜對(duì)比后的JONSWAP譜，每組工況重復(fù)3次，試驗(yàn)時(shí)間不小于對(duì)應(yīng)實(shí)船3 h。

表4 模型試驗(yàn)工況Tab.4 Test conditions of model

3.4 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

采用最具代表性的百年一遇試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種錨系下模型的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。風(fēng)速與波浪曲線如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)動(dòng)力環(huán)境Fig.10 Dynamic condition of test

由圖10可以看出，試驗(yàn)開始后先進(jìn)行造風(fēng)，在試驗(yàn)進(jìn)行到50 s左右，風(fēng)場(chǎng)逐漸穩(wěn)定，再加載砝碼模擬水流作用力。在風(fēng)的作用下，水面產(chǎn)生了波高約為0.04 m的小周期波浪。當(dāng)模型在風(fēng)和流的作用下姿態(tài)穩(wěn)定后，即約150 s時(shí)，開始造浪，產(chǎn)生有效波高為0.21 m，有效周期為2.32 s的不規(guī)則波，上述步驟即形成風(fēng)浪流耦合的極端海況。每個(gè)工況持續(xù)時(shí)間共600 s，文中統(tǒng)一取前400 s進(jìn)行作圖。

模型在上述風(fēng)浪流作用下，兩種錨系形式的平臺(tái)橫蕩與縱搖、錨鏈拉力的對(duì)比曲線，分別如圖11和圖12所示。

首先分析模型的主體結(jié)構(gòu)，由圖11可以看出，模型在風(fēng)的作用下開始進(jìn)行橫蕩運(yùn)動(dòng)，在150 s附近姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定，波浪傳播到模型位置后，模型在平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。松弛式的平均橫蕩為3 m，張緊式平均橫蕩為1.5 m，相比而言，張緊式的漂浮范圍更小，更有利于定點(diǎn)觀測(cè)與海上試驗(yàn)。從縱搖搖試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，同樣是在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，模型做往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)，張緊式的最大橫搖角為12.5°，松弛式最大橫搖角為16.7°，可見張緊式的模型主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，更有利于海洋儀器設(shè)備數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性。

再分析模型的錨泊系統(tǒng)，由圖12可以看出，張緊式錨鏈拉力顯著大于松弛式，前者最大瞬時(shí)拉力達(dá)到191 N，是后者最大拉力的13倍以上。同時(shí)可以觀察到，張緊式錨泊系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)拉力的時(shí)間與出現(xiàn)大波的時(shí)間基本一致，即在風(fēng)的作用下模型的錨泊系統(tǒng)處于拉緊狀態(tài)，當(dāng)有波浪作用在模型的時(shí)候，錨鏈就會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的作用力，作用力一旦超出錨泊系統(tǒng)的承受范圍，就會(huì)出現(xiàn)走錨甚至錨鏈斷裂情況。

對(duì)全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并反演到原型的數(shù)據(jù)如表5所示。由此可以得出結(jié)論：

(1) 松弛式錨泊系統(tǒng)由于其錨鏈所受拉力較小，因此其抵抗極端環(huán)境的能力更強(qiáng)，維護(hù)周期更長(zhǎng)，維護(hù)成本更低。但其平臺(tái)在風(fēng)浪作用下運(yùn)動(dòng)范圍較大，因此觀測(cè)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度會(huì)受到一定的影響，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) 張緊式錨泊系統(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，其試驗(yàn)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，錨鏈所受瞬時(shí)拉力非常大，會(huì)出現(xiàn)走錨現(xiàn)象，特別是遇到極端海況，可能會(huì)遇到嚴(yán)重的損壞，為了避免事件的發(fā)生，應(yīng)對(duì)錨泊系統(tǒng)定期進(jìn)行巡檢和維護(hù)，必要時(shí)采取應(yīng)急避險(xiǎn)措施。

表5 原型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table of test data

3.5 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析

通過數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，結(jié)論是一致的，即在張緊式與松弛式兩種錨系方案中，采用拉緊的錨泊系統(tǒng)，平臺(tái)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；松弛式的錨泊系統(tǒng)錨鏈所受拉力小，可靠性高，但是搖蕩較大；如果定量來(lái)看，通過對(duì)比分析，兩者數(shù)值存在大約10%左右的偏差，造成偏差的原因有以下兩個(gè)方面：

(1) 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；

(2) 試驗(yàn)過程中出現(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。

因此，通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證后的數(shù)值模型可以應(yīng)用在今后平臺(tái)的水動(dòng)力計(jì)算與分析工作中，對(duì)平臺(tái)試驗(yàn)的開展、試驗(yàn)裝置與平臺(tái)的耦合計(jì)算、極端海況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)具有重要的應(yīng)用意義。

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)兩種不同錨系方案，采用威海海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)漂浮式海上試驗(yàn)平臺(tái)在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究與分析，通過試驗(yàn)不僅定性的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，為今后類似的研究提供方法參考。最終得到如下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)作為平臺(tái)水動(dòng)力性能的主要研究手段，可以很好的預(yù)測(cè)其在復(fù)雜海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而且兩種方法可以相互驗(yàn)證，具有很好的應(yīng)用前景。

(2) 威海國(guó)家海洋試驗(yàn)場(chǎng)作為國(guó)家海洋儀器裝備公共試驗(yàn)與測(cè)試平臺(tái)，需要長(zhǎng)時(shí)間在位運(yùn)行，安全性應(yīng)該是首先需要考慮的因素?，F(xiàn)有的張緊式的錨泊形式由于錨鏈?zhǔn)芰^大，已超出其承受范圍，因此存在一定的安全隱患。改進(jìn)后的方案，即松弛式的錨系形式具有很強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，在極端海況下具有較強(qiáng)的生存能力，更加適合平臺(tái)長(zhǎng)期在位運(yùn)行。