V形浮體碼頭系泊方案研究

張 帥, 李 楷*, 麻 云 平, 董 立 佳, 王 運(yùn) 龍, 尤 尹

( 1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院, 上海 200011 )

0 引 言

V形浮體作為三角形浮式基礎(chǔ)的一種變形,具有良好的穩(wěn)定性和較低的建造成本,被廣泛用作海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ),國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究．Ohta等[1]為福島7 MW海上風(fēng)機(jī)示范項(xiàng)目提出了一種V形半潛式浮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行了模型試驗(yàn),結(jié)果表明該浮式結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和防波性能,并且滿足系泊設(shè)備安全性要求．Shi等[2]提出了一種改進(jìn)的帶有垂蕩板的V形半潛式浮式平臺(tái),并針對(duì)其環(huán)境條件,利用AQWA軟件對(duì)改進(jìn)后的V形浮體和原V形浮體不同響應(yīng)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了比較研究,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的V形浮體在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜繩響應(yīng)方面表現(xiàn)出更好的性能．Karimirad等[3]為5 MW浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)了一種V形半潛式浮式平臺(tái),針對(duì)選定的環(huán)境條件,在中等水深下,對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究,驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性．

王宏偉等[4]針對(duì)某半潛式鉆井平臺(tái),選擇3種不同的合成纖維材料及不同軸向剛度進(jìn)行系泊方案設(shè)計(jì),通過對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、系泊纜繩受力以及經(jīng)濟(jì)性的比較,確定了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)為系泊纜繩的材料．胡毅等[5]利用AQWA軟件研究了大型LNG船在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及纜繩所受張力．李曉東等[6]針對(duì)某極地海域鉆井平臺(tái)進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作,選用常規(guī)錨鏈進(jìn)行系泊,以滿足平臺(tái)在無冰期的作業(yè)需求．汪鐘靈等[7]以某躉船為研究對(duì)象,使用AQWA軟件建立模型,分析其在波浪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及不同系泊方式對(duì)系泊系統(tǒng)的影響,在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案．陳徐均等[8]通過改變投錨距離、錨鏈預(yù)張力和錨鏈軸向剛度3個(gè)系泊參數(shù),計(jì)算了浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及錨鏈的張力變化,給出了浮體的布設(shè)建議,基于AQWA軟件分析了波幅、波向和波浪周期對(duì)系泊系統(tǒng)的影響,通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性[9]．

目前文獻(xiàn)中對(duì)傳統(tǒng)船舶和平臺(tái)的系泊研究已較為豐富,對(duì)V形浮體的系泊研究主要以工作狀態(tài)中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析為主,但對(duì)V形浮體碼頭系泊研究較少,對(duì)V形浮體碼頭系泊的可行性缺乏了解,有必要開展對(duì)V形浮體碼頭系泊方案研究,提升V形浮體碼頭系泊的安全性．

因此,本文以某V形浮體為研究對(duì)象,參照船舶碼頭系泊的基本原則,設(shè)計(jì)適用于V形浮體的系泊方案,采用時(shí)域耦合分析方法,充分考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載的綜合作用,分析其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及系泊系統(tǒng)的安全性,為V形浮體碼頭系泊提供參考．

1 理論基礎(chǔ)

系泊計(jì)算基于三維勢流理論,所運(yùn)用的方法主要有面元法、傅里葉變換和Cummins脈沖響應(yīng)方法[10]等．面元法可求解流場的速度勢;傅里葉變換可將頻域水動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)換成時(shí)域水動(dòng)力參數(shù);通過Cummins脈沖響應(yīng)方法可將船舶運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為脈沖運(yùn)動(dòng)的疊加,從而在進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)利用頻域分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算．

計(jì)算時(shí)假定流體是不可壓縮的理想流體且運(yùn)動(dòng)無旋,通過求解拉普拉斯方程獲得速度勢并計(jì)算在無旋場中的速度分布,進(jìn)而用拉格朗日方程算出船體表面的壓力分布．拉格朗日方程為

(1)

式中:φ為速度勢;t為時(shí)間;p為壓強(qiáng);ρ為流體密度;v為流場速度;g為重力加速度;z為流場中空間點(diǎn)的垂向坐標(biāo)．

入射波速度勢為

(2)

式中:k為波數(shù);d為水深;ζ為入射波振幅;ω為規(guī)則波頻率;x、y為沿該方向的位移;θ為入射波與x軸正向夾角．

一階波浪力的速度勢可以通過式(3)進(jìn)行計(jì)算,即

(3)

式中:φd為繞射波速度勢;φj為六自由度方向的速度勢;xj為六自由度方向的位移．

以上速度勢求解后,可以通過拉格朗日方程計(jì)算水動(dòng)力壓力分布,即

(4)

式中:P為水動(dòng)力壓力;X為流場內(nèi)某點(diǎn)的位置矢量．

將水動(dòng)力壓力分布沿整個(gè)濕表面積積分得到船體受到的流體力,其表達(dá)式為

(5)

式中:S為船體的等效濕表面積;Fj為第j個(gè)自由度的一階波浪力;nj為船體濕表面某點(diǎn)的法向量．

通過求解運(yùn)動(dòng)方程(6),即可計(jì)算船舶在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng):

(6)

式中:M為船舶質(zhì)量矩陣;Ma為水動(dòng)力附加質(zhì)量矩陣;C為包括線性輻射阻尼在內(nèi)的阻尼矩陣;K為系統(tǒng)總體剛度矩陣;F為船舶所受的波浪力．

2 荷載系數(shù)計(jì)算

本文采用AQWA軟件對(duì)該V形浮體碼頭系泊狀態(tài)進(jìn)行模擬．在進(jìn)行時(shí)域分析之前,需要獲得該V形浮體的風(fēng)荷載系數(shù)和流荷載系數(shù)．本文采用Star-CCM+對(duì)該V形浮體進(jìn)行荷載系數(shù)計(jì)算．

2.1 模型基本信息

該V形浮體的主尺度見表1,三維模型如圖1所示．本文在Star-CCM+中計(jì)算荷載系數(shù)時(shí)采用k-ε湍流模型,并對(duì)模型以1∶20進(jìn)行縮尺．在進(jìn)行縮尺時(shí),依據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則,保證雷諾數(shù)相似．雷諾相似準(zhǔn)則表達(dá)式為

圖1 V形浮體三維模型

(7)

式中:u為速度;ρ為密度;L為特征長度;μ為動(dòng)力黏滯系數(shù);下標(biāo)p和m分別代表原型和模型．

表1 V形浮體主尺度

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

CFD計(jì)算結(jié)果會(huì)隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而更加精確,同時(shí)計(jì)算成本也會(huì)隨之提高．為了在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上盡量降低計(jì)算成本,需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果的影響．根據(jù)邊界條件的設(shè)置,選取網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸不同的5種網(wǎng)格模型進(jìn)行仿真,觀察網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響．網(wǎng)格模型具體情況見表2．

表2 網(wǎng)格模型具體情況

選取不同網(wǎng)格模型進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2所示,可以看出采用網(wǎng)格模型4與網(wǎng)格模型5的計(jì)算結(jié)果相差不大,但網(wǎng)格數(shù)量差距接近200×104,因此選取網(wǎng)格模型4進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果可信且計(jì)算成本較低,后續(xù)計(jì)算均采用該網(wǎng)格模型．

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2.3 荷載系數(shù)計(jì)算結(jié)果

在應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí),網(wǎng)格劃分尤其重要,本文劃分的網(wǎng)格如圖3所示．

圖3 網(wǎng)格場景剖視圖

利用Star-CCM+分別計(jì)算0°～180°(間隔15°)的荷載,并通過式(8)、(9)將其轉(zhuǎn)換為量綱一的荷載系數(shù)．

(8)

式中:Cw,X為X方向風(fēng)荷載系數(shù);Cw,Y為Y方向風(fēng)荷載系數(shù);Cw,XY為艏搖方向風(fēng)荷載系數(shù);ρw為空氣密度;vw為風(fēng)速;At為橫剖面迎風(fēng)面積;Al為縱剖面迎風(fēng)面積;Lbp為垂線間長;Mw,XY為船舶所受風(fēng)荷載的回轉(zhuǎn)力矩．

(9)

式中:Cc,X為X方向流荷載系數(shù);Cc,Y為Y方向流荷載系數(shù);Cc,XY為艏搖方向流荷載系數(shù);ρc為海水密度;vc為流速;T為吃水;Mc,XY為船舶所受流荷載的回轉(zhuǎn)力矩．

最終得出的量綱一的風(fēng)荷載系數(shù)和流荷載系數(shù)分別如圖4、5所示．

圖4 風(fēng)荷載系數(shù)

圖5 流荷載系數(shù)

3 V形浮體碼頭系泊分析

3.1 環(huán)境工況設(shè)置

本次系泊計(jì)算考慮風(fēng)、浪、流對(duì)船舶碼頭系泊的影響．風(fēng)是對(duì)碼頭系泊船舶影響頻率最高的環(huán)境荷載之一,經(jīng)常給船舶系泊帶來巨大影響．流荷載作用在船體濕表面,由于該V形浮體濕表面積較大,流荷載對(duì)其系泊安全影響顯著[11]．

首先通過胡超魁等[12]在大連新港設(shè)置的3個(gè)觀測站(1號(hào)站和3號(hào)站位于大連新港東部海域,2號(hào)站位于大連新港南部大連灣海域)所得數(shù)據(jù)研究大連灣附近海域的全年海況信息．通過分析可知,1號(hào)站漲潮流流向多為W—N向,落潮流流向多為S—SW向;2號(hào)站漲潮流流向多為NW—SW向,落潮流流向多為NE—E向;3號(hào)站漲潮流流向多為SW向,落潮流流向多為NE向．同時(shí),在觀測期間,最大實(shí)測流速為2號(hào)站表層流,流速為1.26 m/s,流向?yàn)?52°,具體見表3．

表3 大連新港附近海域表層流流速與流向

大連附近海域的風(fēng)多為NW風(fēng),平均風(fēng)速為6 m/s．在胡超魁等[12]觀測期間所測得的最大風(fēng)速為9 m/s．波高數(shù)據(jù)采用大連老虎灘海洋站20 a的資料統(tǒng)計(jì),該區(qū)域年均波高是0.4～0.5 m[13]．

綜合考慮大連新港附近海域的環(huán)境特征,為進(jìn)一步保證V形浮體在日常環(huán)境下的系泊安全,環(huán)境工況的設(shè)定見表4．

表4 環(huán)境工況設(shè)定

一般來說,對(duì)于浮式結(jié)構(gòu)物,當(dāng)風(fēng)、浪、流對(duì)系泊系統(tǒng)作用力方向相同時(shí)將產(chǎn)生最大的力[14]．因此本文計(jì)算假定各環(huán)境荷載方向相同,計(jì)算角度間隔為30°．

3.2 系泊系統(tǒng)基本參數(shù)

對(duì)該V形浮體系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域仿真模擬的系泊物包括纜繩和護(hù)舷,其中纜繩為尼龍纜繩．尼龍纜繩基本參數(shù)見表5．

表5 尼龍纜繩基本參數(shù)

碼頭設(shè)置4個(gè)型號(hào)為SC2000H的超級(jí)鼓型(SUC)橡膠護(hù)舷,均為標(biāo)準(zhǔn)反力型．護(hù)舷基本參數(shù)見表6．

表6 護(hù)舷基本參數(shù)

3.3 系泊方案設(shè)計(jì)

從纜繩受力特點(diǎn)來說,纜繩越短,應(yīng)變?cè)酱?受力就越大;纜繩破斷順序與纜繩長度密切相關(guān),在風(fēng)、浪、流的來襲方向,最先破斷的纜繩基本是長度最短的纜繩[15]．因此,考慮增加近端纜繩數(shù)量,適當(dāng)減少遠(yuǎn)端纜繩數(shù)量．參考石油公司國際海事論壇(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)發(fā)布的Mooring Equipment Guidelines[16],盡量減小系泊纜繩的垂向角度,使具有相同功能的系泊纜繩長度接近．綜合以上因素,設(shè)計(jì)了以下兩種不同的系泊方案．

(1)系泊方案1

由于V形浮體結(jié)構(gòu)形式的特殊性,可以考慮利用碼頭兩垂直邊進(jìn)行系泊,以減少對(duì)碼頭面積的占用．

V形浮體對(duì)稱系泊在碼頭90°內(nèi),每一側(cè)片體與碼頭夾角均為15°．纜繩關(guān)于V形浮體軸線對(duì)稱布置,共18根,分為8組,其中2、3、7、8組纜繩主要承受船尾方向的力,作用是防止船身后移;1、4、5、6組纜繩主要承受船首方向的力,作用是防止船身前移．同時(shí),這些纜繩均與系泊系統(tǒng)的X軸有一定角度,可以承受橫向荷載,防止船身橫向移動(dòng)．在V形浮體船首兩舷側(cè)附近各固定放置一艘梯形駁船,駁船舷側(cè)布置2個(gè)護(hù)舷,以降低浮體與碼頭接觸時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性．系泊示意圖如圖6所示．

(b) AQWA軟件計(jì)算模型

(2)系泊方案2

該系泊方案是常規(guī)系泊,利用V形浮體的一側(cè)片體與碼頭平直邊進(jìn)行系泊．纜繩總共11根,分為8組,1、2、3、4組與5、6、7、8組近似對(duì)稱分布．其中1、2、3組纜繩作為浮體的尾纜,主要承受船尾方向的力,防止船身前移;6、7、8組纜繩作為浮體的頭纜,主要承受船首方向的力,防止船身后移．以這種方式系泊時(shí),由于V形浮體結(jié)構(gòu)的特殊性,從船尾方向來流對(duì)船體系泊的影響大于從船首方向的來流,因此尾纜相較于首纜增加一根．4、5組纜繩位于一側(cè)片體的中心位置兩側(cè),主要承受橫向力,防止船身的橫向移動(dòng)．

以該種方式進(jìn)行系泊時(shí),為了降低浮體與碼頭接觸時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性,保證系泊系統(tǒng)的安全,在碼頭的船首和船尾附近各放置2個(gè)護(hù)舷,護(hù)舷采用SC2000H超級(jí)鼓型(SUC)橡膠護(hù)舷．系泊示意圖如圖7所示．

(a) 系泊方案布置圖

(b) AQWA軟件計(jì)算模型

3.4 不同系泊方案系泊性能比較

利用AQWA軟件對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行靜力平衡計(jì)算,采用系泊纜繩的張力以及護(hù)舷壓力評(píng)估各系泊方案的系泊性能[17]．按照上文確定的環(huán)境工況,在AQWA軟件時(shí)域水動(dòng)力分析模塊設(shè)置風(fēng)、浪、流作用下V形浮體的運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)長為10 800 s,時(shí)間步長為0.1 s．根據(jù)獲得的計(jì)算結(jié)果,可以統(tǒng)計(jì)出不同環(huán)境荷載角度下系泊纜繩的張力和護(hù)舷壓力的最大值,見表7～10,根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)系泊系統(tǒng)的系泊性能進(jìn)行評(píng)估．Mooring Equipment Guidelines[16]規(guī)定:除鋼絲繩外,其余系泊纜繩的安全系數(shù)應(yīng)大于2．因此,當(dāng)所有系泊纜繩的安全系數(shù)大于2,且護(hù)舷所受壓力小于最大作用反力時(shí),即為滿足安全性的要求．

表7 系泊方案1各方向最大系泊纜繩張力

表8 系泊方案2各方向最大系泊纜繩張力

表9 系泊方案1各方向最大護(hù)舷壓力

表10 系泊方案2各方向最大護(hù)舷壓力

本文設(shè)計(jì)的兩種系泊方案采用的均為直徑80 mm的尼龍纜繩,其破斷荷載為1 200 kN,因此考慮安全系數(shù)后的破斷力許用值是600 kN．本文所采用的SC2000H超級(jí)鼓型(SUC)橡膠護(hù)舷的設(shè)計(jì)作用反力為1 781 kN．

通過分析計(jì)算結(jié)果可以看出,在相同環(huán)境荷載下,采用系泊方案1進(jìn)行系泊時(shí),系泊纜繩張力會(huì)在環(huán)境荷載方向?yàn)?0°和120°時(shí)超過破斷力許用值,系泊纜繩安全系數(shù)小于2,導(dǎo)致系泊系統(tǒng)存在安全風(fēng)險(xiǎn)．而采用系泊方案2進(jìn)行系泊時(shí),所有系泊纜繩安全系數(shù)均大于2,同時(shí),4個(gè)護(hù)舷壓力均小于最大作用反力,系泊系統(tǒng)無安全風(fēng)險(xiǎn)．

同時(shí),系泊方案1需要18根系泊纜繩與4個(gè)護(hù)舷,而系泊方案2只需要11根纜繩與4個(gè)護(hù)舷,從系泊經(jīng)濟(jì)性來說,系泊方案2也優(yōu)于系泊方案1．因此,采用系泊方案2進(jìn)行后續(xù)計(jì)算．

4 主要參數(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)的影響分析

4.1 排水量對(duì)系泊系統(tǒng)的影響

采用系泊方案2,通過對(duì)比該V形浮體分別吃水15 m和10 m的系泊性能發(fā)現(xiàn),在風(fēng)速15 m/s、波高1 m、流速1.5 m/s的環(huán)境工況下,當(dāng)V形浮體吃水為10 m時(shí),可以安全系泊,而當(dāng)吃水為15 m時(shí),在環(huán)境荷載方向?yàn)?180°、-150°、-120°和150°時(shí),系泊纜繩安全系數(shù)小于2．具體計(jì)算結(jié)果見表11．

表11 吃水15 m時(shí)采用系泊方案2各方向最大系泊纜繩張力

造成上述現(xiàn)象的原因?yàn)閂形浮體的排水量增加,其吃水隨之增加,濕表面積增大,作用于浮體上的流荷載進(jìn)而增大,且流荷載遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載．因此,該V形浮體進(jìn)行碼頭系泊時(shí),應(yīng)盡量降低其排水量,減小吃水,以保證系泊系統(tǒng)的安全．

4.2 系泊纜繩種類對(duì)系泊系統(tǒng)的影響

上文中利用AQWA軟件進(jìn)行的時(shí)域水動(dòng)力分析均采用的是直徑80 mm的尼龍纜繩．為探究系泊纜繩種類對(duì)系泊系統(tǒng)的影響,將纜繩更換為直徑64 mm的迪尼瑪纜繩再次進(jìn)行計(jì)算．

迪尼瑪纜繩由超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維編織而成,具有諸多優(yōu)越性,如密度低、質(zhì)量小、強(qiáng)度高和耐腐蝕等[18]．本文采用的迪尼瑪纜繩基本參數(shù)見表12．具體計(jì)算結(jié)果見表13．

表12 迪尼瑪纜繩基本參數(shù)

表13 系泊方案2采用迪尼瑪纜繩時(shí)的各方向最大系泊纜繩張力

從表13可見,當(dāng)采用迪尼瑪纜繩時(shí),所有系泊纜繩的安全系數(shù)均大于2,且與采用直徑80 mm的尼龍纜繩相比,其安全系數(shù)更高,相對(duì)來說系泊系統(tǒng)的安全性更高．如圖8所示,由于迪尼瑪纜繩的剛度較尼龍纜繩更大,在對(duì)V形浮體位移的限制上也有明顯優(yōu)勢,可以使浮體的運(yùn)動(dòng)幅度更?。夏岈斃|繩相較于尼龍纜繩來說價(jià)格昂貴,在選擇纜繩時(shí)應(yīng)綜合考慮其性價(jià)比等因素．

圖8 采用迪尼瑪纜繩和尼龍纜繩的位移對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)利用碼頭兩垂直邊進(jìn)行系泊時(shí),系泊纜繩張力會(huì)在環(huán)境荷載方向?yàn)?0°和120°時(shí)超過破斷力許用值,系泊纜繩的安全系數(shù)小于2,導(dǎo)致系泊系統(tǒng)存在安全風(fēng)險(xiǎn)．而利用V形浮體一側(cè)片體與碼頭平直邊進(jìn)行系泊時(shí),所有系泊纜繩的安全系數(shù)均大于2,4個(gè)護(hù)舷壓力均小于最大作用反力,系泊系統(tǒng)無安全風(fēng)險(xiǎn)．因此,對(duì)于該V形浮體,應(yīng)當(dāng)采用系泊方案2對(duì)其進(jìn)行系泊．

(2)在對(duì)V形浮體進(jìn)行碼頭系泊時(shí),應(yīng)盡量降低其排水量,減小吃水,以減小流荷載對(duì)系泊系統(tǒng)的影響,從而提升其安全性．

(3)采用強(qiáng)度和剛度更大的迪尼瑪纜繩可以提升系泊系統(tǒng)的安全性并顯著降低V形浮體的運(yùn)動(dòng)幅度,但選擇系泊纜繩時(shí)還需綜合考慮系泊成本．

(4)本文所計(jì)算的環(huán)境工況相較于大連新港附近海域全年絕大部分時(shí)間的環(huán)境工況更為惡劣,但若遇臺(tái)風(fēng)等極端天氣,應(yīng)采取相應(yīng)措施,以保證系泊系統(tǒng)的安全性．