基于三維勢流理論的深遠海養(yǎng)殖工船耐波性能分析

韓 冰，諶志新,，崔銘超，王慶偉，王一帆，高 瑞

(1 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266237； 2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

隨著人民生活水平的日益提高，對高品質(zhì)水產(chǎn)品的需求量越來越大，但是近年來中國近海漁業(yè)資源日益枯竭，海洋捕撈產(chǎn)量逐年減少，海水養(yǎng)殖成為水產(chǎn)品的主要供應(yīng)渠道。隨著近海養(yǎng)殖過度發(fā)展的同時，近海環(huán)境急劇惡化，嚴重影響了近海養(yǎng)殖產(chǎn)品的品質(zhì)。為了解決這些問題，國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)開始將目光投向水質(zhì)更加優(yōu)良、水溫更加適宜的深遠海，積極探索深遠海養(yǎng)殖技術(shù)，大型深遠海養(yǎng)殖工船應(yīng)運而生[1-4]。

深遠海養(yǎng)殖工船是典型的具有自航能力、長期系泊在固定海域進行養(yǎng)殖作業(yè)的工程船舶，作為一種全新的艙養(yǎng)式海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施，耐波性能的優(yōu)劣至關(guān)重要。一方面，船舶搖擺直接影響魚類的生長速度，甚至關(guān)系魚類生命安全，另一方面，由于養(yǎng)殖工船布置有大量養(yǎng)殖水艙，船體液艙晃蕩問題非常嚴重，因此對養(yǎng)殖工船耐波性能的研究尤為重要。目前，養(yǎng)殖工船耐波性能方面的研究多集中于開放網(wǎng)箱式養(yǎng)殖平臺研究方面。苗玉基等[5]對開放網(wǎng)箱式養(yǎng)殖平臺水動力特性時域分析進行了研究，系統(tǒng)闡述了該類平臺時域分析方法。韓鑫等[6]對開放網(wǎng)箱式養(yǎng)殖平臺水動力特性模型試驗進行了研究，依托模型試驗研究了不同工況下平臺的水動力特性。在封閉艙養(yǎng)式養(yǎng)殖工船研究方面，崔銘超等[7]系統(tǒng)地研究了封閉艙養(yǎng)式養(yǎng)殖工船的構(gòu)建與總體技術(shù)，從安全性、經(jīng)濟性等方面構(gòu)建了養(yǎng)殖工船系統(tǒng)和總體技術(shù)框架，但并未深入討論耐波性能對安全性的深刻影響。肖凱隆等[8]研究了封閉艙養(yǎng)式養(yǎng)殖工船液艙晃蕩與船體運動的耦合，但集中于液艙晃蕩問題，對船體運動并未展開深入研究。目前，針對封閉艙養(yǎng)式養(yǎng)殖工船耐波性能方面的研究還處于起步階段，對于養(yǎng)殖工船耐波性能分析方法及評價體系的研究具有重要意義。

以養(yǎng)殖工船實際設(shè)計項目為依托，基于三維勢流理論，采用數(shù)值模擬方法，分別對養(yǎng)殖工船自航工況及系泊作業(yè)工況下的耐波性能進行研究，估算船體的橫搖和縱搖運動響應(yīng)。同時對頻域和時域的仿真分析結(jié)果進行分析總結(jié)，繼而以人員安全、設(shè)備安全以及養(yǎng)殖安全為指標(biāo)，對養(yǎng)殖工船耐波性能進行評價，根據(jù)評價結(jié)果給出合理建議，為此類工程項目提供參考。

1 理論概述

根據(jù)勢流理論，船舶在波浪中的頻域運動方程可表示為：

(1)

式中：M為船體的質(zhì)量矩陣；A和B分別為船體的附加質(zhì)量和輻射阻尼矩陣；C為船體靜水回復(fù)力矩陣；Fwj為一階波浪激勵力。

綜合考慮風(fēng)、波浪和流環(huán)境條件的激勵載荷，以及系泊回復(fù)力，得到船舶在波浪中的時域運動方程為：

(2)

式中：A(∞)為波浪頻率為無窮大時船體的附加質(zhì)量；K(t)為時延函數(shù)；τ為延時；Fw(t)、Fwd(t)、Fc(t)、Fm(t)依次為波浪載荷、風(fēng)載荷、流載荷和系泊力。

目前，求解二階波浪力的方法主要有3種：基于物面表面積分的近場法，基于動量和能量守恒的遠場法，以及在上述兩種方法的基礎(chǔ)上衍生出的中場法。本研究采用近場法來計算二階波浪力[9]。

選用模塊法對船體風(fēng)載荷進行計算，即將水面以上部分分解為多個標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，然后將各構(gòu)件的風(fēng)載荷疊加得到總的載荷。構(gòu)件i承受的風(fēng)載荷計算公式為：

(3)

(4)

總的風(fēng)載荷矩為：

(5)

選用模塊法計算流載荷，水下部分受到的流載荷計算公式為：

(6)

式中：ρw為海水密度，t/m3；Cd為拖曳力系數(shù)；Ac(α)為流向α?xí)r船體的迎流面積，m2；Vc為設(shè)計流速，m/s。

流載荷矩[10]為：

Mc=Fcyx+Fcxy

(7)

式中：Fcx為船體受到的縱向流載荷，kN；Fcy為船體受到的橫向流載荷，kN；x為船體的橫向流載荷距離參考點的力臂，m；y為船體的縱向流載荷距離參考點的力臂，m。

2 計算條件

2.1 養(yǎng)殖工船基本狀況

本研究以某養(yǎng)殖工船實際設(shè)計項目為研究對象，主要參數(shù)如表1所示。該船設(shè)計作業(yè)海域為渤海，船體為雙底、雙殼、縱骨架式鋼制全焊接船舶，采用電力推進方式，全船左右對稱布置有16個養(yǎng)殖水艙，可以提供8萬m3養(yǎng)殖水體，同時配備有自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)、物流加工系統(tǒng)及綜合管理系統(tǒng)等，可實現(xiàn)全自動化魚類產(chǎn)品養(yǎng)殖、加工及轉(zhuǎn)運，船體示意圖如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖工船示意圖

2.2 裝載工況

養(yǎng)殖工船的裝載工況復(fù)雜，具體可分為兩大類：一類是自航工況，另一類是系泊作業(yè)工況。根據(jù)NAPA軟件配載結(jié)果，自航工況配載(圖2)和系泊作業(yè)工況配載(圖3)兩種典型工況下船體主要參數(shù)見表2。

圖2 自航工況配載結(jié)果

圖3 系泊作業(yè)工況配載結(jié)果

表2 兩種典型工況下船體主要參數(shù)

2.3 環(huán)境條件

根據(jù)GJB4000—2000《艦船通用規(guī)范》[11]對不同等級海況的規(guī)定，同時考慮風(fēng)、波浪和流發(fā)生的聯(lián)合分布，可得各海況條件下對應(yīng)的風(fēng)浪數(shù)據(jù)如表3所示[12-13]，通過對養(yǎng)殖工船作業(yè)海域風(fēng)浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)及工船實際作業(yè)需求的分析，確定在自航工況及系泊作業(yè)工況下，養(yǎng)殖工船設(shè)計作業(yè)的極限海況為6級海況。

船體運動性能受風(fēng)浪流方向組合影響巨大，船體運動的最大值可能出現(xiàn)在：風(fēng)浪流同向；風(fēng)浪同向，且與流呈90°夾角；風(fēng)浪同向，且無流；風(fēng)流同向，且與浪呈30°夾角；浪與風(fēng)、流分別呈30°、45°夾角；浪與風(fēng)、流分別呈30°、90°夾角[14]。確定風(fēng)浪流方向組合如表4所示。

表3 不同等級海況參數(shù)

表4 風(fēng)浪流方向組合

3 計算結(jié)果

3.1 頻域結(jié)果

圖4 船體有限元模型

對養(yǎng)殖工船自航工況及系泊作業(yè)工況下的船體進行頻域計算，得到在浪向角分別為180°、150°、120°、90°下船體重心處的橫搖和縱搖RAO分別如圖5～圖8所示。

圖5 浪向角為180°時的RAO

圖6 浪向角為150°時的RAO

圖7 浪向角為120°時的RAO

圖8 浪向角為90°時的RAO

分析圖5～圖8可知，在自航工況及系泊作業(yè)工況下，船體橫搖和縱搖RAO曲線趨勢一致，但由于兩種狀態(tài)對應(yīng)參數(shù)不同，導(dǎo)致在曲線峰值大小和峰值頻率上略有差異。

3.2 時域結(jié)果

在自航工況及系泊作業(yè)工況下，養(yǎng)殖工船時域計算模型分別如圖9和圖10所示。由圖10可知，船體由一根位于艏部的系泊纜定位于海底，此時船體具有“風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)”，即船體艏向時刻處于風(fēng)、波浪和流環(huán)境載荷的最小組合方向上，盡管如此，在實際設(shè)計過程中，仍以船體可能出現(xiàn)的最大的運動響應(yīng)為設(shè)計依據(jù)，這是由于船體在受到外界復(fù)雜環(huán)境影響時，需要一個過程才能達到“風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)”所呈現(xiàn)的運動態(tài)勢，這個過程雖然短暫但仍不可以忽略，否則將對船舶安全造成影響[19]。

由計算得，在不同等級海況條件下的船體橫搖和縱搖運動響應(yīng)幅值分別如表5和表6所示，需要說明的是，其中0.00表示數(shù)值很小，實際值不為0。

圖9 自航工況時域計算模型

圖10 系泊作業(yè)工況時域計算模型

表5 自航工況下船體運動響應(yīng)幅值

表6 系泊作業(yè)工況下船體運動響應(yīng)幅值

對比不同海況等級下，自航工況及系泊作業(yè)工況對應(yīng)的船體運動響應(yīng)幅值，如圖11所示。由圖11可知，隨著海況等級的愈加惡劣，船體運動響應(yīng)也隨之增大；在兩種狀態(tài)下，船體運動響應(yīng)幅值相差不大，與頻域結(jié)果規(guī)律一致。

4 耐波性能評價

4.1 人員安全的要求

人員安全是指保障船上工作人員的舒適性及生命安全，人員安全對于船舶耐波性的要求一般使用船舶耐波性衡準(zhǔn)來衡量。對于耐波性衡準(zhǔn)，不同研究機構(gòu)和專家學(xué)者提出了不同的建議，其中比較有代表性的建議包括《船舶設(shè)計實用手冊(總體分冊)》、北歐合作研究計劃以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)衛(wèi)生與安全委員會(HSC)的船舶耐波性執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[20-21]，上述建議雖然數(shù)據(jù)上略有不同，但差別不大，通過分析總結(jié)得出人能承受的最大橫搖角為10°，縱搖角為4.8°，超過這個界限則認為人無法正?；顒?；而人能正常工作的最大橫搖角為8°，縱搖角為3°，超過這個界限則認為人無法正常工作。綜上，考慮到養(yǎng)殖工船的運行要求，為保證人員安全，需滿足在自航工況和系泊作業(yè)工況下，橫搖角不超過8°，縱搖角不超過3°。

圖11 不同海況等級下船體運動響應(yīng)幅值對比

4.2 設(shè)備安全的要求

設(shè)備安全是指保障船載設(shè)備能夠正常工作且不受損壞，養(yǎng)殖工船設(shè)備主要分為船舶設(shè)備及養(yǎng)殖設(shè)備兩部分，其中船舶設(shè)備主要遵循《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》《海上浮式裝置入級規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求[22-23]；對于養(yǎng)殖設(shè)備，除滿足上述規(guī)范的要求外，本研究根據(jù)所依托項目在前期進行的市場調(diào)研以及設(shè)備廠家座談等方式，對養(yǎng)殖設(shè)備的搖擺限定值進行進一步約束，以保證養(yǎng)殖設(shè)備的正常工作，具體如表7所示。表7可以看出，為保證設(shè)備安全，需滿足在自航工況和系泊作業(yè)工況下，橫搖角不超過20°，縱搖角不超過7°。

表7 養(yǎng)殖工船設(shè)備搖擺限定值要求

4.3 養(yǎng)殖安全的要求

養(yǎng)殖安全是指保障船上養(yǎng)殖魚類正常生長而不發(fā)生意外死亡，船舶搖擺對于魚類生長的影響目前尚未出現(xiàn)權(quán)威的研究成果，有學(xué)者試驗發(fā)現(xiàn)，搖擺可使魚類腎上腺素、血清葡萄糖等指標(biāo)異常升高，從而影響魚類的健康[24]；也有學(xué)者認為，搖擺可以提高養(yǎng)殖水體內(nèi)水的流速，魚類長期處于較高的流速環(huán)境下，容易積累大量乳酸而感到疲勞，從而影響自身健康甚至威脅生命，而魚類適應(yīng)流速的上限與自身體長密切相關(guān)，具體可用如下經(jīng)驗公式表達[25]：

Vcr=2.3L0.8

(8)

式中：Vcr為魚類最大適應(yīng)流速，m/s；L為魚體長，m。

本研究取魚體長L=0.2 m，得到Vcr=0.63 m/s，通過對養(yǎng)殖工船進一步的數(shù)值模擬計算得到，在橫搖角為8°，縱搖角為2.5°時，養(yǎng)殖水體內(nèi)流速分布接近上述極限，因此，為保證養(yǎng)殖安全，需滿足在自航工況和系泊作業(yè)工況下，橫搖角不超過8°，縱搖角不超過2.5°。

4.4 養(yǎng)殖工船耐波性能總結(jié)

通過分析上述數(shù)據(jù)可得，為保證養(yǎng)殖工船的人員安全、設(shè)備安全以及養(yǎng)殖安全，需滿足在自航工況和系泊作業(yè)工況下，船舶橫搖≤8°，縱搖≤2.5°。總結(jié)上述計算結(jié)果，得到養(yǎng)殖工船耐波性能總結(jié)如表8所示。

表8可知，在1～5級海況下，養(yǎng)殖工船的耐波性能良好，可以較好地滿足人員安全、設(shè)備安全以及養(yǎng)殖安全的要求，在6級海況下，船舶的搖擺角度超出限值，整船安全受到威脅，應(yīng)考慮加裝減搖裝置。另一方面，如上文所述，由于該養(yǎng)殖工船的設(shè)計作業(yè)海域為渤海海域，通過查閱《西北太平洋波浪統(tǒng)計集(1961—1990)》[26]可知，渤海海域6級海況發(fā)生的概率僅為0.2%，發(fā)生概率非常低，加之養(yǎng)殖工船具有自航能力，在監(jiān)測到極限海況即將來臨時，具備迅速規(guī)避的能力，因此認為本船亦可通過運營管理來解決極端海況下的耐波性能需求問題，而不需要額外加裝減搖裝置。

表8 養(yǎng)殖工船耐波性能總結(jié)

5 結(jié)論

以養(yǎng)殖工船實際設(shè)計項目為依托，分別對工船典型工況下的耐波性能進行研究，通過頻域和時域仿真分析，得到設(shè)計海況下的船舶搖擺幅值，繼而分別從人員安全、設(shè)備安全和養(yǎng)殖安全的角度出發(fā)，對養(yǎng)殖工船耐波性能進行評價。該養(yǎng)殖工船在1～5級海況下橫搖角度和縱搖角度均滿足各項安全限值要求，而在6級海況下橫搖角度和縱搖角度急劇增大，對整船安全構(gòu)成了嚴重威脅，此時應(yīng)考慮加裝減搖裝置。另一方面，考慮到6級海況在設(shè)計作業(yè)海域發(fā)生的概率極低，且加裝減搖裝置往往會帶來設(shè)計上的困難及建造成本的提高，因此還需根據(jù)項目實際情況，統(tǒng)籌考慮建造及運營成本，優(yōu)先通過運營管理等手段滿足安全要求，避免盲目修改設(shè)計。通過系統(tǒng)地闡述實際養(yǎng)殖工船項目中耐波性能整體研究過程，初步構(gòu)建了耐波性能分析方法及評價體系，為養(yǎng)殖工船項目耐波性能的設(shè)計及優(yōu)化提供參考。