內(nèi)河錨泊浮式碼頭水動(dòng)力性能分析

內(nèi)河錨泊浮式碼頭水動(dòng)力性能分析

彭澤宇，劉祚秋，富明慧

(中山大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與工程學(xué)系，廣東廣州510006)

摘要：近年來內(nèi)河水路運(yùn)輸飛速發(fā)展，浮式碼頭以其自身優(yōu)勢(shì)多運(yùn)用于潮差較大的河段，由于浮式結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪等環(huán)境因素影響較大，故對(duì)其水動(dòng)力性能的研究至關(guān)重要。應(yīng)用基于三維勢(shì)流理論的水動(dòng)力分析軟件ANSYS/Workbench/AQWA建立浮式碼頭數(shù)值仿真計(jì)算模型，對(duì)浮式碼頭分別進(jìn)行了頻域分析和時(shí)域分析，考慮JONSWAP波浪譜與API風(fēng)譜聯(lián)合作用下浮式碼頭的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，研究了不同的碼頭寬度和吃水深度對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。分析研究結(jié)果表明，浮式碼頭固有周期大約為3~8 s，設(shè)計(jì)時(shí)需注意避免固有周期與波浪遭遇周期接近，以免發(fā)生共振；浮式碼頭在高頻區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定性較好，但耐波性較差；適當(dāng)增加浮式碼頭寬度、減小吃水深度可以減小其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，研究結(jié)果可為錨泊浮式碼頭的設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：浮式碼頭； 水動(dòng)力分析； 時(shí)/頻域分析； 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：U656.1`+17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2015)03-0053-06

Abstract：In recent years, waterway transport on the inland river is springing up vigorously. With their own advantages, the floating piers are located on the river where the tidal range is larger. The floating piers are greatly influenced by the wave conditions, so it is very important to carry out the research on their hydrodynamic performance. A numerical simulation model is established by using a hydrodynamic simulation software ANSYS/Workbench/AQWA based on the 3d potential flow theory. Analysis of the floating piers is carried out in the frequency domain and time domain, predicting the dynamic response of the pier in JONSWAP spectrum and API spectrum. Effects of various parameters such as the beam and draft of the pier are also studied in this paper. Finally the analysis results show that the natural period of the floating pier is about 3～8 s. In the design, attention should be paid to avoid producing resonance when the natural period of the floating pier and the wave period are close. The stability of the floating pier in the high frequency region is better, but the wave keeping is poor. For stable operation of the floating pier, it is necessary to increase the pier’s width and reduce its draft appropriately. This study can provide a theoretical reference for the design of the similar floating piers.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.009

收稿日期：2014-10-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379054)

作者簡(jiǎn)介：王慧(1958—)， 女， 安徽蕪湖人， 副教授， 主要從事水利工程新技術(shù)、河道治理、環(huán)境水利等方面的研究。E-mail：whhut@sina.com

我國(guó)內(nèi)河某些河段由于受到河床地形、潮汐或風(fēng)浪影響，近岸處水深變化劇烈，運(yùn)輸船舶無法正常停泊。對(duì)于這種潮差較大造成裝卸作業(yè)困難或有人員上下要求的碼頭，通常采用浮式碼頭。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)浮式碼頭做了相關(guān)研究。其中，劉遠(yuǎn)傳等[1]針對(duì)入射波浪下浮式碼頭的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了浮式碼頭六自由度運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷曲線，并且對(duì)系泊系統(tǒng)的受力進(jìn)行了分析；王建華等[2]針對(duì)南海浮式碼頭與系泊系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力耦合分析，采用基于質(zhì)量法的動(dòng)力分析方法，并且將結(jié)果同靜力分析進(jìn)行對(duì)比；鄭治國(guó)等[3]討論了浮式碼頭不同模塊的組成方案及其運(yùn)動(dòng)特性，并給出了設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題；肖越等[4]在頻域內(nèi)利用數(shù)值方法研究了錨泊浮體在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈線張力變化；H. H. Lee等[5]對(duì)二維浮式碼頭在波浪作用下的受力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)求解并得到了理論解；此外，Z. Tajali[6]，I.Diamantoulaki[7]，G.V.Ocrtmerssen等[8-11]也針對(duì)浮式碼頭的不同問題進(jìn)行了分析研究。

AQWA是全球權(quán)威的船舶與海洋工程商業(yè)軟件之一，主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)特性評(píng)估。本文采用多體水動(dòng)力軟件ANSYS/Workbench/AQWA建立浮式碼頭的計(jì)算模型，并進(jìn)行水動(dòng)力分析，研究了風(fēng)浪、吃水深度、模塊寬度對(duì)碼頭運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，為實(shí)際工程中浮式碼頭的設(shè)計(jì)提供參考。

1理論基礎(chǔ)

對(duì)于不可壓縮的理想流體，在無旋場(chǎng)中，其控制方程可以簡(jiǎn)化為L(zhǎng)aplace方程：

(1)

假定自由表面的波浪運(yùn)動(dòng)及多體浮式碼頭的運(yùn)動(dòng)是微幅的，因此可以認(rèn)為速度勢(shì)為線性。應(yīng)用疊加原理，可將總速度勢(shì)分解為入射波速度勢(shì)、繞射速度勢(shì)和輻射速度勢(shì)：

(2)

式中：φI為入射波速度勢(shì)，不計(jì)浮式碼頭存在對(duì)入射波流場(chǎng)影響；φD為繞射速度勢(shì)，為靜止浮式碼頭存在于流場(chǎng)中對(duì)流場(chǎng)速度分布所產(chǎn)生的影響；φR為輻射速度勢(shì)，計(jì)算浮式碼頭的振蕩對(duì)流場(chǎng)速度分布的影響。

根據(jù)三維勢(shì)流理論求得入射勢(shì)、繞射勢(shì)和輻射勢(shì)之后，利用伯努利方程：

(3)

可以求出流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布，將其沿浮式碼頭濕表面積分，即可得到浮式碼頭受到的一階波浪力：

(4)

式中：fi為第i個(gè)自由度的一階波浪力；ni為第i個(gè)自由度的法向。

浮式碼頭在頻域下的一階運(yùn)動(dòng)方程為：

(5)

式中: mij為質(zhì)量或慣性矩；μij為附加質(zhì)量；λij為阻尼系數(shù)；cij為回復(fù)力系數(shù)；xj為運(yùn)動(dòng)幅值。

求解該方程就可得到浮式碼頭在固定頻率規(guī)則波作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。AQWA 中Hydrodynamic Diffraction模塊即為頻域計(jì)算模塊，將其計(jì)算求得的浮式碼頭在頻域內(nèi)的水動(dòng)力參數(shù)，以及給定的風(fēng)、浪、流等外載荷作用力數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hydrodynamic time response模塊，應(yīng)用Cummins脈沖理論，即可進(jìn)行時(shí)域分析。時(shí)域下浮式碼頭的運(yùn)動(dòng)方程為：

(6)

(7)

圖1　坐標(biāo)系及環(huán)境力方向定義 Fig.1 Definition of coordinate system and environment forces

式中：M為浮式碼頭質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x為位移矢量；F為激勵(lì)力矢量；Fs為靜態(tài)力；Fwf為波頻力；Fsv為低頻慢漂力；Fm為系泊力。

2計(jì)算模型

本文假設(shè)浮式碼頭為剛體且不透水，水深7 m，采用四纜對(duì)稱系泊方式，纜繩在水平面上投影與x軸和y軸均成45°角，分別考慮不同的碼頭寬度和吃水深度。浮式碼頭主尺度分別為：長(zhǎng)108 m，寬5, 7, 9 m；高2.6 m，吃水深度1.3, 1.5, 2.0 m，重心高度0.8 m，坐標(biāo)系定義如圖1，環(huán)境參數(shù)如表1。

針對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自由劃分功能對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，設(shè)定最大單元尺寸1 m,最小容忍尺寸0.5 m，最大允許頻率3.826 rad/s，網(wǎng)格單元數(shù)6 240個(gè)。在劃分完網(wǎng)格后，輸入Hydrodynamic Diffraction模塊與Hydrodynamic time response模塊進(jìn)行頻/時(shí)域計(jì)算。

表1　主要環(huán)境參數(shù)

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1頻域分析

應(yīng)用三維勢(shì)流理論，計(jì)算得到浮式碼頭在不同浪向角和頻率的規(guī)則波作用下的響應(yīng)。圖2給出了碼頭垂蕩、縱搖、橫搖的幅值響應(yīng)算子RAO隨浪向角和頻率變化的情況，可見，垂蕩固有頻率為1.5 rad/s，固有周期為4.2 s；縱搖固有頻率為0.8 rad/s，固有周期為7.8 s；橫搖固有頻率為1.6 rad/s，固有周期為3.9 s，當(dāng)固有頻率與遭遇頻率接近時(shí)，碼頭將處于共振區(qū)，由此導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)響應(yīng)劇烈，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意避開常見波浪周期內(nèi)引起的共振。由于碼頭外形并非雙向曲面，當(dāng)波浪波長(zhǎng)大于40 m，其垂蕩運(yùn)動(dòng)顯著增大，這表明其耐波性能較差。

圖2　不同浪向角、頻率下碼頭幅值響應(yīng)算子值 Fig.2 Response amplitude operation in waves with different wave headings and frequencies

圖3給出了不同寬度碼頭在不同頻率波浪垂直入射條件下的垂蕩、橫搖和橫蕩幅值響應(yīng)算子，計(jì)算結(jié)果顯示，浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩的峰值頻率和峰值振幅隨著碼頭寬度的增加而減小，其原因是由于浮式碼頭寬度的增加導(dǎo)致相應(yīng)的質(zhì)量增加，從而增加了水動(dòng)力系數(shù)?？紤]到寬度的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用較大寬度的浮式碼頭更好。

圖3　不同寬度的碼頭在橫浪中幅值響應(yīng)算子值(吃水1.5 m) Fig.3 Response amplitude operation in beam waves with different dimensions (draught of 1.5 m)

圖4給出了不同吃水深度碼頭在不同頻率波浪垂直入射條件下的垂蕩、橫搖和橫蕩幅值響應(yīng)算子，計(jì)算結(jié)果顯示，浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)峰值振幅隨著碼頭吃水深度的增加而增加，但峰值頻率隨著碼頭吃水深度的增加而減小。考慮到吃水深度的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，浮式碼頭吃水深度不宜過大,以避免處于共振區(qū)。

圖4　不同吃水深度的碼頭在橫浪中幅值響應(yīng)算子值(寬7 m) Fig.4 Response amplitude operation in beam waves with different draughts (width of 7 m)

3.2時(shí)域分析

為了能夠準(zhǔn)確分析浮式碼頭的總體響應(yīng)，在時(shí)域內(nèi)求解總體運(yùn)動(dòng)方程，并且考慮系泊纜與碼頭完全耦合。計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)為0.1 s，總計(jì)算時(shí)間為150 s，最后計(jì)算得出浮式碼頭在JONSWAP波浪譜下的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線。

圖5分別給出了浪向角90°時(shí)，浮式碼頭垂蕩、橫蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。在迎浪狀態(tài)下，橫蕩運(yùn)動(dòng)相比于垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值較大，響應(yīng)頻率較低，具有低頻運(yùn)動(dòng)特性；橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值較大，響應(yīng)頻率也較高，這是由波浪垂直碼頭方向傳播造成的；縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值較小，響應(yīng)頻率也較低，易滿足要求。垂蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是評(píng)價(jià)浮式碼頭工作性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意控制其穩(wěn)定性以保證正常的裝卸貨物。

圖5　浮式碼頭在橫浪中運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線 Fig.5 Time series of motion responses of a floating pier in beam waves

4結(jié)語

(1)浮式碼頭固有周期大約為3~8 s，設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免固有周期與波浪遭遇周期接近，以免發(fā)生共振，碼頭在高頻區(qū)域(ω>1.5rad/s)內(nèi)穩(wěn)定性較好，但耐波性較差。

(2)浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩的峰值頻率和峰值振幅隨著碼頭寬度的增加而減小，設(shè)計(jì)時(shí)宜增加碼頭寬度;浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)峰值振幅隨著碼頭吃水深度的增加而增加，但峰值頻率隨著碼頭吃水深度的增加而減小，設(shè)計(jì)時(shí)碼頭吃水深度不宜過大;浮式碼頭縱搖運(yùn)動(dòng)較小，易滿足要求，垂蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是評(píng)價(jià)浮式碼頭工作性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意控制其響應(yīng)幅值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉傳遠(yuǎn), 萬德成. 錨泊浮式碼頭在波浪上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算[C]∥第十二屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)會(huì)議論文集. 北京： 海洋出版社, 2013： 306- 312. (LIU Chuan-Yuan, WAN De-cheng. Calculation of motion response for a moored floating pier in waves[C]∥12thNational Congress on Hydrodynamics. Beijing: China Ocean Press, 2013: 306- 312. (in Chinese))

[2]王建華, 萬德成. 南海浮式碼頭與系泊系統(tǒng)動(dòng)力耦合分析[C]∥ 第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)會(huì)議論文集. 北京: 海洋出版社, 2014: 1381- 1387. (WANG Jian-hua, WAN De-cheng. Dynamic coupling analysis of a moored floating pier in waves[C]∥ 13thNational Congress on Hydrodynamics. Beijing: China Ocean Press, 2014: 1381- 1387. (in Chinese))

[3]鄭治國(guó), 董艷秋, 唐友剛. 模塊化浮碼頭技術(shù)方案的探討[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2003, 25(5): 7- 8, 11. (ZHENG Zhi-guo, DONG Yan-qiu, TANG You-gang. Investigation for the technology solution of modular pontoon[J]. Ship Science and Technology, 2003, 25(5): 7- 8, 11. (in Chinese))

[4]肖越， 王言英. 浮體錨泊系統(tǒng)計(jì)算分析[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005, 45(5): 682- 686. (XIAO Yue, WANG Yan-ying. Computational analysis of moored floating-body[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2005: 45(5): 682- 686. (in Chinese))

[5]LEE H H, CHEN L Y, WENG W K, et al. The prediction of the dynamic and structural motions of a floating-pier system in waves[J]. Ocean Engineering, 2007, 34(7): 1044- 1059.

[6]TAJALI Z, SHAFIEEFAR M. Hydrodynamic analysis of multi-body floating piers under wave action[J]. Ocean Engineering, 2011, 38: 1925- 1933.

[7]DIAMANTOULAKI I, ANGELIDES D C. Analysis of performance of hinged floating breakwaters[J]. Engineering Structures, 2010, 32: 2407- 2423.

[8]VAN OCRTMENSSEN G. Hydrodynamic interaction between two structures floating in waves[C]∥ London: Pro BOSS Conference, 1979:339- 356.

[9]CHEN Zhi-jie, WANG Yong-xue, WANG Guo-yu. Time-domain responses of immersing tunnel element under wave actions[J]. Journal of Hydrodynamics, 2009, 21(6): 739- 749.

[10]汪宏, 姜睿, 張新未，等. 一種新型浮式單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2014, 28(4): 317- 320. (WANG Hong, JIANG Rui, ZHANG Xin-wei, et al. An experiment designed to study the structure of the new monomer and floating wave stability[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2014, 28(4): 317- 320. (in Chinese))

[11]覃杰, 周野, 何文欽, 等. 游艇碼頭平面設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J]. 水運(yùn)工程, 2014(4): 91- 98. (QIN Jie, ZHOU Ye, HE Wen-qin, et al. Research on design parameters of general layout for marinas[J]. Port & Waterway Engineering, 2014(4): 91- 98. (in Chinese))

[12]MOLIN B. 海洋工程水動(dòng)力學(xué)[M]. 劉水庚，譯. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2012. (MOLIN B. Hydrodynamique des structures offshore[M]. Translated by LIU Shui-geng. Beijing: National Defence of Industry Press, 2012. (in Chinese))

Hydrodynamic analysis of a moored floating pier on an inland river

PENG Ze-yu, LIU Zuo-qiu, FU Ming-hui

(DepartmentofAppliedMechanicsandEngineering,CollegeofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510006,China)

Key words： floating pier; hydrodynamic analysis; time/frequency domain analysis; motion response

王慧， 周虹均， 曹廣學(xué), 等. 巢湖兆河分洪閘泄流特性試驗(yàn)研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(3): 59-65. (WANG Hui, ZHOU Hong-jun, CAO Guang-xue, et al. Model tests on discharge characteristics for Chaohu Zhaohe flood diversion sluice[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(3): 59-65.)