陳國龍， 白曉東， 竇宏波， 黃俊輝， 駱寒冰

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028；2. 天津大學(xué) 船舶與海洋工程系， 天津 300350)

0 引 言

為經(jīng)濟有效地開發(fā)海上邊際油田，開發(fā)設(shè)施如儲卸油設(shè)施應(yīng)具備安全性、經(jīng)濟性和可再利用能力。傳統(tǒng)海上原油外輸設(shè)施成本高，不利于邊際油田的開發(fā)。為此研發(fā)一種新型可移動水下張緊系泊浮筒型油氣外輸終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備投資低、便于遷移再利用的特點，可有效降低海上邊際油田開發(fā)成本。

在波流作用下，水下浮筒和張緊式系泊耦合運動特性復(fù)雜。海上施工成本高昂，準確預(yù)報浮筒運動響應(yīng)和系泊受力，判斷能否正常作業(yè)，對提高作業(yè)效率和經(jīng)濟效益具有重要意義。開展水下張緊式系泊浮筒動力響應(yīng)特性研究有助于避免危險事故的發(fā)生，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

水下張緊式系泊浮體常見于水下海洋波浪能裝置和海底懸浮隧道中，學(xué)者們對張緊式系泊浮體開展大量的試驗和數(shù)值模擬研究。RUTKOWSKI[1]對比分析單點系泊水下張緊式系泊浮筒和動力定位外輸駁船的動力響應(yīng)特性。JIN等[2]開展物理模型探究二維水下張緊式系泊懸浮隧道的非線性運動響應(yīng)和系泊張力。SEO等[3]研究水下系泊浮體張緊式系泊的松弛現(xiàn)象，并探究張緊式系泊的張力特性。MENG等[4]研究張緊式水下波浪能結(jié)構(gòu)運動特性和發(fā)電效率。YANG等[5]通過試驗和數(shù)值模擬探究水下張緊式系泊球體在單色波作用下的半頻非線性運動響應(yīng)特性。ORSZAGHOVA等[6]探究單點張緊式系泊水下浮子波浪能裝置參激不穩(wěn)定現(xiàn)象，理論推導(dǎo)橫蕩運動不穩(wěn)定方程，并通過模型試驗探究三點張緊式系泊水下浮子波浪能裝置艏搖運動參激不穩(wěn)定現(xiàn)象，構(gòu)建二階和三階非線性Mathieu不穩(wěn)定方程[7]。SERGIIENKO等[8]通過數(shù)值模擬探究單點和三點張緊式系泊水下浮子波浪能裝置垂蕩和縱蕩運動特性，探究阻尼和能量提取系統(tǒng)對浮子運動的影響。LU等[9]探究水下懸浮隧道張緊式系泊張力的松弛-張緊現(xiàn)象，探究結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)、系泊傾角、浮心和重心相對位置對系泊脈沖張力的影響。CANTERO等[10]對垂直張緊式系泊水下懸浮隧道進行數(shù)值模擬，探究懸浮隧道在參激振動下張緊式系泊受力特性。

國內(nèi)外學(xué)者對張緊式系泊浮體運動響應(yīng)開展一定的研究，但對三點張緊式系泊水下浮筒運動響應(yīng)的試驗研究較少，對張緊式系泊水下浮筒的可行性及適用范圍缺乏深入了解，張緊式水下系泊浮筒的設(shè)計缺乏科學(xué)理論依據(jù)。本文以外輸終端——水下張緊式系泊浮筒為研究對象，采用模型試驗方法探究波浪作用下水下系泊浮筒的動力響應(yīng)特性，對水下系泊浮筒的優(yōu)化設(shè)計具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

1 模型試驗方案及布置

試驗在天津大學(xué)港口與海洋工程水池進行，水池長×寬×深為55.0 m×24.0 m×1.8 m。浮筒和系泊參數(shù)如表1所示。圖1為水下系泊浮筒示例及系泊布置圖，圖1(b)給出系泊纜編號f1～f6和試驗中的波浪方向。圖2為浮筒試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灛F(xiàn)場布置圖。試驗縮尺比λ為1∶50。模型與原型之間需要滿足幾何相似、流體運動和動力相似。其中，動力相似主要指滿足Froude相似和Strouhal相似準則，而忽略黏性Reynolds相似，即

(1)

(2)

式中：Fr和Sr分別為弗勞德數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)；V、L、t分別為速度、長度、時間，下標m、s分別代表模型和原型。

表1 浮筒和系泊主要參數(shù)

圖1 水下系泊浮筒示例及系泊系統(tǒng)布置

圖2 浮筒試驗?zāi)Ｐ图霸囼灛F(xiàn)場

利用NDI公司的OPTOTRAK Certus非接觸式光學(xué)系統(tǒng)測量浮筒的運動響應(yīng)，最高精度為0.1 mm。采用微型拉力傳感器測量6根系泊纜的受力，微型拉力傳感器安裝于纜繩與導(dǎo)纜孔之間，量程為2 kg，精度為2 g。

通過靜水衰減試驗得到系泊浮筒固有周期，如表2所示。換算成原型結(jié)果的模型試驗系泊浮筒衰減曲線如圖3所示。

表2 系泊浮筒固有周期和頻率原型值

圖3 浮筒衰減曲線

開展規(guī)則波試驗測定浮筒運動響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，開展不規(guī)則波和水流聯(lián)合作用試驗測定浮筒的動力響應(yīng)特性。采用JONSWAP譜模擬不規(guī)則波，不規(guī)則波有義波高為8.6 m，譜峰周期為11.8 s，流速為1.9 m/s，波流同向。試驗波高及波浪譜與理論譜的比較如圖4所示。所有分析結(jié)果均已轉(zhuǎn)換為原型值。

圖4 不規(guī)則波時歷及波浪譜

2 規(guī)則波下浮筒運動和系泊受力特性

圖5和圖6分別為頂浪情況下規(guī)則波周期為8 s時浮筒的運動時歷曲線和響應(yīng)譜。由圖5和圖6可知：

(1) 在橫搖和縱搖固有周期附近，浮筒也會產(chǎn)生垂直于波浪方向的運動，即橫蕩、橫搖和艏搖運動。

(2) 不同于傳統(tǒng)懸鏈線等系泊系統(tǒng)，張緊式系泊系統(tǒng)的浮筒在縱蕩、橫蕩和艏搖方向上不存在低頻慢漂運動，浮筒縱蕩、橫蕩、橫搖和縱搖運動主要以波頻運動，垂蕩和艏搖以倍頻運動為主。浮筒在艏搖方向上具有明顯高階運動，橫搖方向上的運動具有一定的非線性成分。

(3) 受張緊式系泊的影響，浮筒垂蕩運動呈現(xiàn)非對稱特性，向上運動幅度遠小于向下運動的幅度。

圖5 規(guī)則波下浮筒運動時歷(T=8 s)

圖6 規(guī)則波下浮筒運動響應(yīng)譜(T=8 s)

圖7為規(guī)則波下系泊系統(tǒng)的受力時歷曲線。由圖7可知，系泊力呈現(xiàn)周期性變化，但具有非線性特性。圖8為規(guī)則波下系泊受力的響應(yīng)譜。由圖8可知，系泊受力以波頻為主，具有二階及更高階成分。

圖7 規(guī)則波下系泊力時歷(T=8 s)

圖8 規(guī)則波下系泊力響應(yīng)譜(T=8 s)

圖9給出規(guī)則波下浮筒頂浪情況的運動RAO。由圖9可知：

(1) 浮筒存在垂直于波浪方向上的運動，即橫蕩、橫搖和艏搖，在固有周期附近呈現(xiàn)大幅運動。參激共振可能是導(dǎo)致垂直于波浪方向運動的原因。由試驗結(jié)果和分析可知，在進行水下浮筒設(shè)計時應(yīng)充分考慮垂直于波浪方向的運動特性。

(2) 浮筒運動基本呈現(xiàn)隨波浪頻率先增大后減小的趨勢，在橫搖和縱搖固有周期附近，6個自由度運動達最大值。浮筒在橫搖和縱搖固有周期附近出現(xiàn)較大橫蕩運動，表明浮筒縱蕩與橫搖、縱搖出現(xiàn)耦合。

(3) 8 s周期的波浪波長約100 m，浮筒直徑為9 m，浮筒尺度比波長小很多，非線性黏性力對浮筒運動的影響不可忽視。

圖9 規(guī)則波下浮筒頂浪下運動RAO

3 不規(guī)則波下浮筒運動和系泊受力特性

圖10為不規(guī)則波下浮筒運動時歷曲線。由圖10可知：浮筒的正向縱搖運動大于20°，負向縱搖運動小于20°，浮筒縱搖均值為正值，表明浮筒有一定的傾斜角，這是由水流存在造成的。浮筒橫搖運動約±10°，較大的浮筒縱搖和橫搖轉(zhuǎn)動不利于浮筒外輸作業(yè)。

圖10 不規(guī)則波下浮筒運動時歷

圖11為不規(guī)則波下浮筒運動響應(yīng)譜。由圖11可知：運動頻率大多集中在波浪頻率范圍；但艏搖運動出現(xiàn)二倍頻運動，垂蕩運動更加復(fù)雜，在高頻和低頻處均有一部分能量。

圖11 不規(guī)則波下浮筒運動頻譜響應(yīng)譜

圖12為不規(guī)則波下系泊受力的時歷曲線。由圖12可知：迎浪測f1和f2系泊纜比f2系泊纜受力大；張緊式系泊的受力具有非對稱特性，呈現(xiàn)一定的脈沖特性。圖13為不規(guī)則波下系泊力響應(yīng)譜。由圖13可知，張緊式系泊能力主要集中在波頻范圍內(nèi)，最大系泊力為1.20×106N。

圖12 不規(guī)則波下系泊力時歷

圖13 不規(guī)則波下浮筒系泊力響應(yīng)譜

4 結(jié) 論

采用物理模型試驗方法研究波流工況下張緊式系泊水下浮筒的動力響應(yīng)特性，得到如下結(jié)論：

(1) 由規(guī)則波結(jié)果可知，浮筒運動主要以波頻為主，受張緊式系泊的影響，浮筒不會出現(xiàn)慢漂運動，運動呈現(xiàn)高階非線性特性。規(guī)則波RAO結(jié)果表明：浮筒運動呈現(xiàn)隨波頻先增大后減小的趨勢，在橫搖和縱搖固有周期附近達最大值；在橫搖和縱搖固有周期附近，浮筒也會產(chǎn)生垂直于波浪方向上的運動，即橫蕩、橫搖和艏搖運動，原因可能是參激共振和非線性黏性力作用。在進行水下浮筒設(shè)計時應(yīng)充分考慮浮筒垂直于波浪方向上的運動。

(2) 在不規(guī)則波和水流作用下浮筒呈現(xiàn)六自由度運動，浮筒垂蕩呈現(xiàn)非對稱特性，受張緊式系泊的影響，浮筒向下垂蕩運動幅值大于向上運動幅值；浮筒在波流作用下呈現(xiàn)較大的縱搖和橫搖運動，且由于水流的原因浮筒沿水流方向有一定的傾斜角；譜分析發(fā)現(xiàn)浮筒運動能量大多集中在波頻范圍內(nèi)。

(3) 由張緊式系泊受力結(jié)果可知，迎浪側(cè)系泊纜受力遠大于背浪側(cè)系泊纜受力，譜分析發(fā)現(xiàn)浮筒系泊力能量譜大多集中在波頻范圍內(nèi)。