单点系泊深海养殖工船水动力性能

张新昊， 窦培林

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

0 引 言

鱼类是优质的蛋白质获取来源，随着人们生活水平的提高，对于高质量水产品的购买力也在日益增长。近海传统网箱养殖作为我国目前主要的养殖手段，养殖容量正趋于饱和并对近海海洋环境造成破坏。深水网箱养殖面积增幅已超过传统网箱[1]。随着挪威Ocean Farm 1和Havfarm等为代表的新型深海养殖装备在我国建成交付，我国已必备建造新型深海养殖装备的经验和能力。

由于深海养殖海洋环境复杂，养殖停留周期长，装备稳定性与养殖成活率有着不可分割的关系，因此深海养殖装备的水动力性能和系泊系统的定位能力一直是研究的热点之一。目前世界上的圆形养殖装备主要采用多点系泊方式，船型养殖装备则大多采用单点系泊方式。宋伟华等[2]采用4种网箱系泊方法，设计单点系泊网衣构件的水槽波浪试验，表明在波浪条件下采用单点系泊构件的水动力有较大增加。HUANG等[3]使用数值模拟和现场研究的方法，在单点系泊网箱系统上设置传感器以研究其动态响应，并在之后的研究[4]中增加刚性框架，结果表明，刚性框架可显著改善单点系泊网箱的体积变形，但会使系泊锚绳张力略微增大。SHAINEE等[5]采用数值模拟和模型试验的方法研究随机波情况下自潜式单点系泊网箱的潜水特性。CIFUENTES等[6]研究单点系泊养殖网箱在不规则波和剪切流下的动态响应，总结网箱密度和网箱垂向位置对整体系统动态响应的影响。ZHAO等[7]对圆形半潜式深海养殖渔场的系泊锚链张力和渔场的运动响应进行模型试验。LI等[8]对船型养殖渔场的系泊系统进行时域耦合分析，并比较柔性和刚性网箱模型在稳定海流下的运动响应。HØILAND[9]对挪威养殖工船Havfarm的水动力性能和均布散射系泊进行数值模拟计算。HUANG等[10]对近海半潜式养殖渔场进行水池模型试验，研究养殖渔场单点系泊系统的系泊性能。

1 系泊方案概述

1.1 系泊方案选择

所研究的深海网箱养殖工船的系泊系统为单点系泊方式，即锚泊系统与船体只有一个接触点。单点系泊系统允许浮体绕着某个基点产生风标效应而旋转，使得船首始终指向外载荷合力最小的方向，减小系统所需要的总系泊力[11]。另外风标效应也可使鱼类养殖废弃物的海底沉积大幅减少，基本上可消除养殖密集给底栖动物带来的影响[12]，这也是目前近海养殖遇到的主要问题。常用的单点系泊方式有转塔式系泊、浮筒式系泊、塔式系泊，其中转塔式系泊又可分为内转塔式和外转塔式。考虑到与常见的采用单点系泊的浮式生产储卸油装置相比，网箱养殖工船结构相对简单，使用外转塔式系泊足以满足使用需求，并且由于网箱的存在，若采用内转塔式系泊系统将对网箱的容积造成较大影响。

系泊系统根据系泊缆线的形状又可分为悬链线系泊和张紧式系泊，对于养殖网箱工船而言，网箱结构大部分位于水下，采用张紧式系泊系统会增加系泊缆线与网箱结构碰撞的风险，且系泊缆线与网衣接触可能会使网衣磨损，降低网衣使用寿命，因此采用悬链线系泊更为适宜。悬链线式系泊系统抵抗平台所受环境载荷的回复力来自系泊缆的垂向重力，波频运动的影响和流体载荷的作用使系泊缆产生较大的几何变形并且导致横向拖曳力, 从而使该系泊系统具有显著的动力效应[13]。图1为采用悬链线系泊的深海网箱养殖工船。

图1 深海网箱养殖工船悬链线系泊示例

综合上述原因，针对深海网箱养殖工船用系泊系统，设计2种单点系泊方案，均采用悬链线外转塔式系泊，根据系泊缆线的空间布置不同，系泊方案分为组式系泊和均布散射系泊。

1.2 系泊缆线布置

组式系泊由6根相同的系泊锚链组成，按2×3分组布置，每组系泊锚链之间夹角相同，均为120°，每组2根系泊锚链之间的夹角为15°。均布散射系泊方案采用6根相同的系泊锚链组成，每根系泊锚链之间夹角相同，均为60°。图2为深海养殖网箱工船2种系泊方案。

图2 系泊方案示例

1.3 系泊缆材料

目前常用的系泊缆材料有锚链、钢缆和合成材料。锚链主要靠自身重量使系泊线达到悬链线状态，可分为有横档锚链和无横档锚链两种。海洋工程中常用的锚链等级有：石油平台级链环(Oil Rig Quality，ORQ)、Grade R3、Grade R4、Grade R5等。

所研究的2种系泊方案均采用单一锚链进行时域计算分析，系泊缆线采用ORQ有横档锚链，长度为700 m，直径为114 mm，在实际设计时需以厂家提供的信息为准，在没有这些信息的情况下，可通过挪威船级社(DNV)提供的相关公式进行初步计算(见表1)，计算得断裂强度为9 564.64 kN。

表1 系泊缆线材料特性计算

2 时域耦合分析

2.1 养殖工船水动力模型

由于养殖工船包含细长杆件，因此必须考虑黏性影响，在SESAM中采用复合模型对养殖工船进行建模，复合模型包含Panel模型和Morison模型，使水动力模型能同时考虑势流理论和Morsion公式。图3为养殖工船水动力模型。

图3 养殖工船水动力模型

对Morison方程而言，比较重要和难以确定的是拖曳力系数CD和惯性力系数CM，这2个参数的选取对波浪力的数值影响较大。影响CD的因素有物体的截面形状、表面粗糙度、雷诺数和物体上海洋生物的附着程度等；对于CM而言，除通过试验外，也可从理论上求得。对于所涉及的圆柱杆件，采用DNV规范中对CD、CM最小值的规定，如表2所示。表2中，K和Kl的计算式为

(1)

(2)

式中：D2为圆柱直径；l为圆柱长度。

表2 DNV规范中的CD和CM

CD和CM分别取0.7和2.0。水深取120 m，对2种系泊方案进行时域耦合分析。

对比分析所使用的环境载荷参数参考HØILAND等[9]关于Havfarm系泊分析的环境参数设置，对8种工况进行计算分析，风浪流方向一致，除迎浪180°浪向角外，对于组式系泊的2组系泊缆线的夹角和均布散射系泊的2根系泊缆线的夹角浪向也进行计算，即120°和150°。计算风谱选择NPD谱，平均风速为41.13 m/h，水面流速为1.5 m/s，波浪谱选择JONSWAP谱，各计算工况的波浪载荷设置如表3所示。

表3 计算工况波浪载荷设置

2.2 浮体运动响应对比分析

平台在水平面内的振摆运动，即纵荡、横荡、艏摇等3个自由度响应是决定其系泊性能的重要参数，表4和表5分别为180°和120°/150°浪向角下浮体运动响应数值统计。

表4 180°入射角下浮体运动响应统计

表5 120°/150°入射角下浮体运动响应统计

由表4可知，在180°入射角下，组式系泊方案的纵荡响应、横荡响应小于均布散射系泊方案，艏摇响应大于均布散射系泊方案，但两者艏摇响应平方差相差较小，因此前者的运动响应变化更加稳定。这是因为组式系泊在应对180°入射角海况时有更多的系泊缆线集中在入射角上以对抗环境载荷，而均布散射系泊的系泊缆线分布均匀，造成该入射角上的运动响应较大。

由表5可知，在120°/150°入射角下，组式系泊方案在纵荡响应上大于均布散射系泊方案，横荡和艏摇响应则偏小。这是因为组式系泊在应对120°入射角海况时系泊缆与入射角夹角为52.5°，大于均布散射系泊应对150°入射角海况时系泊缆与入射角的夹角(30°)，在入射角上对抗环境载荷的系泊缆相对集中。对比180°入射角的浮体运动响应可知，入射角的变化引起的运动响应变化主要反应在纵荡和横荡自由度上，对艏摇的影响较小。

2.3 系泊缆张力对比

系泊缆张力的大小直接影响整个系泊系统的安全和可靠性，在对比分析中，重点比较入射波方向靠前的系泊缆张力大小和时间历程变化，包括：在180°入射角计算工况下，组式系泊中的1号和2号系泊缆；均布散射系泊中的1号系泊缆；在120°/150°入射角计算工况下，组式系泊中的1号和6号系泊缆；在均布散射系泊中的1号和6号系泊缆。进行3 h时域模拟，计算系泊缆张力并统计各系泊缆张力的最大值、最小值和平方差。由于数据结果过多，仅给出2a、2b、5a和5b等4个计算工况下的张力统计表和时间历程曲线。

4种工况按入射角进行分类统计，表6为180°入射角工况下的系泊缆线张力统计表。由表6可知，在180°入射角下，组式系泊所受的系泊缆张力整体小于均布散射系泊，系泊缆的张力变化也更稳定。

表6 计算工况2a和5a系泊缆张力统计 kN

在180°入射角上，均布散射系泊靠前的系泊缆只有1根，因此将采用组式系泊的2根系泊缆与采用均布散射系泊的1根系泊缆分别进行对比(见图4和图5)，可看出在环境载荷较低的海况下，组式系泊更有优势，随着环境载荷的提升，两者差距逐渐变小，但组式系泊仍存在优势。

图4 计算工况2a系泊张力时历曲线

图5 计算工况5a系泊张力时历曲线

表7为120°/150°入射角工况下的系泊缆张力统计表。

表7 计算工况2b和5b系泊缆张力统计 kN

表7结果与表6结果类似，组式系泊所受的系泊缆张力在整体上小于均布散射系泊，与180°入射角相比，入射角上靠前的系泊缆张力减小。

图6和图7分别为计算工况2b和5b的系泊张力时历对比曲线，以空间位置为参考对2个方案的系泊缆分别进行比较。对比180°入射角的时历曲线可知：工况2b与工况2a的时历曲线类似，但振幅范围有所下移；将工况5b的曲线与工况5a相比可知，2种系泊方案的差距进一步减小，组式系泊系统仍有微小优势。

图6 计算工况2b系泊张力时历曲线

图7 计算工况5b系泊张力时历曲线

3 结 论

研究深海养殖网箱工船的2种单点系泊方案，分析不同系泊缆线布置方案对浮体运动响应和系泊缆张力的影响，得到如下结论：

(1) 考虑到对于海洋环境的影响和网箱的存在，深海养殖网箱工船更宜采用单点系泊系统和悬链线系泊。

(2) 在运动响应方面，2种系泊方式均满足深海养殖网箱平台的要求。入射角方向对纵荡和横荡的影响较大，但组式系泊在整体上较优于均布散射系泊，在实际使用中可根据海况布置系泊缆位置，以获得更好的定位性能。

(3) 在系泊缆线张力对比分析中，组式系泊下系泊缆张力小于均布散射系泊下的系泊缆张力，随着环境载荷的提升，两者差距逐渐变小，由于深海养殖网箱平台需进行长时间的运营作业，因此采用组式系泊方案更有利。

(4) 组式系泊和均布散射系泊两种方案在整体成本、系泊安装布置的难易和后期运营作业上并无较大差异，因此深海养殖网箱工船更宜采用组式系泊方案。