單點系泊深海養(yǎng)殖工船水動力性能

張新昊， 竇培林

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

魚類是優(yōu)質的蛋白質獲取來源，隨著人們生活水平的提高，對于高質量水產品的購買力也在日益增長。近海傳統(tǒng)網箱養(yǎng)殖作為我國目前主要的養(yǎng)殖手段，養(yǎng)殖容量正趨于飽和并對近海海洋環(huán)境造成破壞。深水網箱養(yǎng)殖面積增幅已超過傳統(tǒng)網箱[1]。隨著挪威Ocean Farm 1和Havfarm等為代表的新型深海養(yǎng)殖裝備在我國建成交付，我國已必備建造新型深海養(yǎng)殖裝備的經驗和能力。

由于深海養(yǎng)殖海洋環(huán)境復雜，養(yǎng)殖停留周期長，裝備穩(wěn)定性與養(yǎng)殖成活率有著不可分割的關系，因此深海養(yǎng)殖裝備的水動力性能和系泊系統(tǒng)的定位能力一直是研究的熱點之一。目前世界上的圓形養(yǎng)殖裝備主要采用多點系泊方式，船型養(yǎng)殖裝備則大多采用單點系泊方式。宋偉華等[2]采用4種網箱系泊方法，設計單點系泊網衣構件的水槽波浪試驗，表明在波浪條件下采用單點系泊構件的水動力有較大增加。HUANG等[3]使用數(shù)值模擬和現(xiàn)場研究的方法，在單點系泊網箱系統(tǒng)上設置傳感器以研究其動態(tài)響應，并在之后的研究[4]中增加剛性框架，結果表明，剛性框架可顯著改善單點系泊網箱的體積變形，但會使系泊錨繩張力略微增大。SHAINEE等[5]采用數(shù)值模擬和模型試驗的方法研究隨機波情況下自潛式單點系泊網箱的潛水特性。CIFUENTES等[6]研究單點系泊養(yǎng)殖網箱在不規(guī)則波和剪切流下的動態(tài)響應，總結網箱密度和網箱垂向位置對整體系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。ZHAO等[7]對圓形半潛式深海養(yǎng)殖漁場的系泊錨鏈張力和漁場的運動響應進行模型試驗。LI等[8]對船型養(yǎng)殖漁場的系泊系統(tǒng)進行時域耦合分析，并比較柔性和剛性網箱模型在穩(wěn)定海流下的運動響應。H?ILAND[9]對挪威養(yǎng)殖工船Havfarm的水動力性能和均布散射系泊進行數(shù)值模擬計算。HUANG等[10]對近海半潛式養(yǎng)殖漁場進行水池模型試驗，研究養(yǎng)殖漁場單點系泊系統(tǒng)的系泊性能。

1 系泊方案概述

1.1 系泊方案選擇

所研究的深海網箱養(yǎng)殖工船的系泊系統(tǒng)為單點系泊方式，即錨泊系統(tǒng)與船體只有一個接觸點。單點系泊系統(tǒng)允許浮體繞著某個基點產生風標效應而旋轉，使得船首始終指向外載荷合力最小的方向，減小系統(tǒng)所需要的總系泊力[11]。另外風標效應也可使魚類養(yǎng)殖廢棄物的海底沉積大幅減少，基本上可消除養(yǎng)殖密集給底棲動物帶來的影響[12]，這也是目前近海養(yǎng)殖遇到的主要問題。常用的單點系泊方式有轉塔式系泊、浮筒式系泊、塔式系泊，其中轉塔式系泊又可分為內轉塔式和外轉塔式。考慮到與常見的采用單點系泊的浮式生產儲卸油裝置相比，網箱養(yǎng)殖工船結構相對簡單，使用外轉塔式系泊足以滿足使用需求，并且由于網箱的存在，若采用內轉塔式系泊系統(tǒng)將對網箱的容積造成較大影響。

系泊系統(tǒng)根據(jù)系泊纜線的形狀又可分為懸鏈線系泊和張緊式系泊，對于養(yǎng)殖網箱工船而言，網箱結構大部分位于水下，采用張緊式系泊系統(tǒng)會增加系泊纜線與網箱結構碰撞的風險，且系泊纜線與網衣接觸可能會使網衣磨損，降低網衣使用壽命，因此采用懸鏈線系泊更為適宜。懸鏈線式系泊系統(tǒng)抵抗平臺所受環(huán)境載荷的回復力來自系泊纜的垂向重力，波頻運動的影響和流體載荷的作用使系泊纜產生較大的幾何變形并且導致橫向拖曳力, 從而使該系泊系統(tǒng)具有顯著的動力效應[13]。圖1為采用懸鏈線系泊的深海網箱養(yǎng)殖工船。

圖1 深海網箱養(yǎng)殖工船懸鏈線系泊示例

綜合上述原因，針對深海網箱養(yǎng)殖工船用系泊系統(tǒng)，設計2種單點系泊方案，均采用懸鏈線外轉塔式系泊，根據(jù)系泊纜線的空間布置不同，系泊方案分為組式系泊和均布散射系泊。

1.2 系泊纜線布置

組式系泊由6根相同的系泊錨鏈組成，按2×3分組布置，每組系泊錨鏈之間夾角相同，均為120°，每組2根系泊錨鏈之間的夾角為15°。均布散射系泊方案采用6根相同的系泊錨鏈組成，每根系泊錨鏈之間夾角相同，均為60°。圖2為深海養(yǎng)殖網箱工船2種系泊方案。

圖2 系泊方案示例

1.3 系泊纜材料

目前常用的系泊纜材料有錨鏈、鋼纜和合成材料。錨鏈主要靠自身重量使系泊線達到懸鏈線狀態(tài)，可分為有橫檔錨鏈和無橫檔錨鏈兩種。海洋工程中常用的錨鏈等級有：石油平臺級鏈環(huán)(Oil Rig Quality，ORQ)、Grade R3、Grade R4、Grade R5等。

所研究的2種系泊方案均采用單一錨鏈進行時域計算分析，系泊纜線采用ORQ有橫檔錨鏈，長度為700 m，直徑為114 mm，在實際設計時需以廠家提供的信息為準，在沒有這些信息的情況下，可通過挪威船級社(DNV)提供的相關公式進行初步計算(見表1)，計算得斷裂強度為9 564.64 kN。

表1 系泊纜線材料特性計算

2 時域耦合分析

2.1 養(yǎng)殖工船水動力模型

由于養(yǎng)殖工船包含細長桿件，因此必須考慮黏性影響，在SESAM中采用復合模型對養(yǎng)殖工船進行建模，復合模型包含Panel模型和Morison模型，使水動力模型能同時考慮勢流理論和Morsion公式。圖3為養(yǎng)殖工船水動力模型。

圖3 養(yǎng)殖工船水動力模型

對Morison方程而言，比較重要和難以確定的是拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM，這2個參數(shù)的選取對波浪力的數(shù)值影響較大。影響CD的因素有物體的截面形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)和物體上海洋生物的附著程度等；對于CM而言，除通過試驗外，也可從理論上求得。對于所涉及的圓柱桿件，采用DNV規(guī)范中對CD、CM最小值的規(guī)定，如表2所示。表2中，K和Kl的計算式為

(1)

(2)

式中：D2為圓柱直徑；l為圓柱長度。

表2 DNV規(guī)范中的CD和CM

CD和CM分別取0.7和2.0。水深取120 m，對2種系泊方案進行時域耦合分析。

對比分析所使用的環(huán)境載荷參數(shù)參考H?ILAND等[9]關于Havfarm系泊分析的環(huán)境參數(shù)設置，對8種工況進行計算分析，風浪流方向一致，除迎浪180°浪向角外，對于組式系泊的2組系泊纜線的夾角和均布散射系泊的2根系泊纜線的夾角浪向也進行計算，即120°和150°。計算風譜選擇NPD譜，平均風速為41.13 m/h，水面流速為1.5 m/s，波浪譜選擇JONSWAP譜，各計算工況的波浪載荷設置如表3所示。

表3 計算工況波浪載荷設置

2.2 浮體運動響應對比分析

平臺在水平面內的振擺運動，即縱蕩、橫蕩、艏搖等3個自由度響應是決定其系泊性能的重要參數(shù)，表4和表5分別為180°和120°/150°浪向角下浮體運動響應數(shù)值統(tǒng)計。

表4 180°入射角下浮體運動響應統(tǒng)計

表5 120°/150°入射角下浮體運動響應統(tǒng)計

由表4可知，在180°入射角下，組式系泊方案的縱蕩響應、橫蕩響應小于均布散射系泊方案，艏搖響應大于均布散射系泊方案，但兩者艏搖響應平方差相差較小，因此前者的運動響應變化更加穩(wěn)定。這是因為組式系泊在應對180°入射角海況時有更多的系泊纜線集中在入射角上以對抗環(huán)境載荷，而均布散射系泊的系泊纜線分布均勻，造成該入射角上的運動響應較大。

由表5可知，在120°/150°入射角下，組式系泊方案在縱蕩響應上大于均布散射系泊方案，橫蕩和艏搖響應則偏小。這是因為組式系泊在應對120°入射角海況時系泊纜與入射角夾角為52.5°，大于均布散射系泊應對150°入射角海況時系泊纜與入射角的夾角(30°)，在入射角上對抗環(huán)境載荷的系泊纜相對集中。對比180°入射角的浮體運動響應可知，入射角的變化引起的運動響應變化主要反應在縱蕩和橫蕩自由度上，對艏搖的影響較小。

2.3 系泊纜張力對比

系泊纜張力的大小直接影響整個系泊系統(tǒng)的安全和可靠性，在對比分析中，重點比較入射波方向靠前的系泊纜張力大小和時間歷程變化，包括：在180°入射角計算工況下，組式系泊中的1號和2號系泊纜；均布散射系泊中的1號系泊纜；在120°/150°入射角計算工況下，組式系泊中的1號和6號系泊纜；在均布散射系泊中的1號和6號系泊纜。進行3 h時域模擬，計算系泊纜張力并統(tǒng)計各系泊纜張力的最大值、最小值和平方差。由于數(shù)據(jù)結果過多，僅給出2a、2b、5a和5b等4個計算工況下的張力統(tǒng)計表和時間歷程曲線。

4種工況按入射角進行分類統(tǒng)計，表6為180°入射角工況下的系泊纜線張力統(tǒng)計表。由表6可知，在180°入射角下，組式系泊所受的系泊纜張力整體小于均布散射系泊，系泊纜的張力變化也更穩(wěn)定。

表6 計算工況2a和5a系泊纜張力統(tǒng)計 kN

在180°入射角上，均布散射系泊靠前的系泊纜只有1根，因此將采用組式系泊的2根系泊纜與采用均布散射系泊的1根系泊纜分別進行對比(見圖4和圖5)，可看出在環(huán)境載荷較低的海況下，組式系泊更有優(yōu)勢，隨著環(huán)境載荷的提升，兩者差距逐漸變小，但組式系泊仍存在優(yōu)勢。

圖4 計算工況2a系泊張力時歷曲線

圖5 計算工況5a系泊張力時歷曲線

表7為120°/150°入射角工況下的系泊纜張力統(tǒng)計表。

表7 計算工況2b和5b系泊纜張力統(tǒng)計 kN

表7結果與表6結果類似，組式系泊所受的系泊纜張力在整體上小于均布散射系泊，與180°入射角相比，入射角上靠前的系泊纜張力減小。

圖6和圖7分別為計算工況2b和5b的系泊張力時歷對比曲線，以空間位置為參考對2個方案的系泊纜分別進行比較。對比180°入射角的時歷曲線可知：工況2b與工況2a的時歷曲線類似，但振幅范圍有所下移；將工況5b的曲線與工況5a相比可知，2種系泊方案的差距進一步減小，組式系泊系統(tǒng)仍有微小優(yōu)勢。

圖6 計算工況2b系泊張力時歷曲線

圖7 計算工況5b系泊張力時歷曲線

3 結 論

研究深海養(yǎng)殖網箱工船的2種單點系泊方案，分析不同系泊纜線布置方案對浮體運動響應和系泊纜張力的影響，得到如下結論：

(1) 考慮到對于海洋環(huán)境的影響和網箱的存在，深海養(yǎng)殖網箱工船更宜采用單點系泊系統(tǒng)和懸鏈線系泊。

(2) 在運動響應方面，2種系泊方式均滿足深海養(yǎng)殖網箱平臺的要求。入射角方向對縱蕩和橫蕩的影響較大，但組式系泊在整體上較優(yōu)于均布散射系泊，在實際使用中可根據(jù)海況布置系泊纜位置，以獲得更好的定位性能。

(3) 在系泊纜線張力對比分析中，組式系泊下系泊纜張力小于均布散射系泊下的系泊纜張力，隨著環(huán)境載荷的提升，兩者差距逐漸變小，由于深海養(yǎng)殖網箱平臺需進行長時間的運營作業(yè)，因此采用組式系泊方案更有利。

(4) 組式系泊和均布散射系泊兩種方案在整體成本、系泊安裝布置的難易和后期運營作業(yè)上并無較大差異，因此深海養(yǎng)殖網箱工船更宜采用組式系泊方案。