V形浮体码头系泊方案研究

张 帅, 李 楷*, 麻 云 平, 董 立 佳, 王 运 龙, 尤 尹

( 1.大连理工大学 船舶工程学院, 辽宁 大连 116024;2.中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011 )

0 引 言

V形浮体作为三角形浮式基础的一种变形,具有良好的稳定性和较低的建造成本,被广泛用作海上浮式风机基础,国内外学者对其进行了大量研究．Ohta等[1]为福岛7 MW海上风机示范项目提出了一种V形半潜式浮式结构的设计方案,进行了模型试验,结果表明该浮式结构具有良好的稳定性和防波性能,并且满足系泊设备安全性要求．Shi等[2]提出了一种改进的带有垂荡板的V形半潜式浮式平台,并针对其环境条件,利用AQWA软件对改进后的V形浮体和原V形浮体不同响应量的动态响应进行了比较研究,发现改进后的V形浮体在平台运动响应和系泊缆绳响应方面表现出更好的性能．Karimirad等[3]为5 MW浮式风机设计了一种V形半潜式浮式平台,针对选定的环境条件,在中等水深下,对其运动响应进行了研究,验证了该结构的优越性．

王宏伟等[4]针对某半潜式钻井平台,选择3种不同的合成纤维材料及不同轴向刚度进行系泊方案设计,通过对平台运动、系泊缆绳受力以及经济性的比较,确定了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为系泊缆绳的材料．胡毅等[5]利用AQWA软件研究了大型LNG船在风、浪、流联合作用下的整体运动响应以及缆绳所受张力．李晓东等[6]针对某极地海域钻井平台进行系泊系统设计工作,选用常规锚链进行系泊,以满足平台在无冰期的作业需求．汪钟灵等[7]以某趸船为研究对象,使用AQWA软件建立模型,分析其在波浪作用下的动态响应以及不同系泊方式对系泊系统的影响,在满足规范要求的基础上提出了改进方案．陈徐均等[8]通过改变投锚距离、锚链预张力和锚链轴向刚度3个系泊参数,计算了浮体的运动响应以及锚链的张力变化,给出了浮体的布设建议,基于AQWA软件分析了波幅、波向和波浪周期对系泊系统的影响,通过模型试验验证了数值计算结果的正确性[9]．

目前文献中对传统船舶和平台的系泊研究已较为丰富,对V形浮体的系泊研究主要以工作状态中运动响应分析为主,但对V形浮体码头系泊研究较少,对V形浮体码头系泊的可行性缺乏了解,有必要开展对V形浮体码头系泊方案研究,提升V形浮体码头系泊的安全性．

因此,本文以某V形浮体为研究对象,参照船舶码头系泊的基本原则,设计适用于V形浮体的系泊方案,采用时域耦合分析方法,充分考虑风、浪、流等环境荷载的综合作用,分析其运动响应以及系泊系统的安全性,为V形浮体码头系泊提供参考．

1 理论基础

系泊计算基于三维势流理论,所运用的方法主要有面元法、傅里叶变换和Cummins脉冲响应方法[10]等．面元法可求解流场的速度势;傅里叶变换可将频域水动力参数转换成时域水动力参数;通过Cummins脉冲响应方法可将船舶运动转化为脉冲运动的叠加,从而在进行时域分析时利用频域分析结果进行计算．

计算时假定流体是不可压缩的理想流体且运动无旋,通过求解拉普拉斯方程获得速度势并计算在无旋场中的速度分布,进而用拉格朗日方程算出船体表面的压力分布．拉格朗日方程为

(1)

式中:φ为速度势;t为时间;p为压强;ρ为流体密度;v为流场速度;g为重力加速度;z为流场中空间点的垂向坐标．

入射波速度势为

(2)

式中:k为波数;d为水深;ζ为入射波振幅;ω为规则波频率;x、y为沿该方向的位移;θ为入射波与x轴正向夹角．

一阶波浪力的速度势可以通过式(3)进行计算,即

(3)

式中:φd为绕射波速度势;φj为六自由度方向的速度势;xj为六自由度方向的位移．

以上速度势求解后,可以通过拉格朗日方程计算水动力压力分布,即

(4)

式中:P为水动力压力;X为流场内某点的位置矢量．

将水动力压力分布沿整个湿表面积积分得到船体受到的流体力,其表达式为

(5)

式中:S为船体的等效湿表面积;Fj为第j个自由度的一阶波浪力;nj为船体湿表面某点的法向量．

通过求解运动方程(6),即可计算船舶在波浪作用下的运动响应:

(6)

式中:M为船舶质量矩阵;Ma为水动力附加质量矩阵;C为包括线性辐射阻尼在内的阻尼矩阵;K为系统总体刚度矩阵;F为船舶所受的波浪力．

2 荷载系数计算

本文采用AQWA软件对该V形浮体码头系泊状态进行模拟．在进行时域分析之前,需要获得该V形浮体的风荷载系数和流荷载系数．本文采用Star-CCM+对该V形浮体进行荷载系数计算．

2.1 模型基本信息

该V形浮体的主尺度见表1,三维模型如图1所示．本文在Star-CCM+中计算荷载系数时采用k-ε湍流模型,并对模型以1∶20进行缩尺．在进行缩尺时,依据雷诺相似准则,保证雷诺数相似．雷诺相似准则表达式为

图1 V形浮体三维模型

(7)

式中:u为速度;ρ为密度;L为特征长度;μ为动力黏滞系数;下标p和m分别代表原型和模型．

表1 V形浮体主尺度

2.2 网格无关性验证

CFD计算结果会随着网格数量的增加而更加精确,同时计算成本也会随之提高．为了在保证计算精度的基础上尽量降低计算成本,需要进行网格无关性验证,排除网格数量对仿真结果的影响．根据边界条件的设置,选取网格基础尺寸不同的5种网格模型进行仿真,观察网格数量对计算结果的影响．网格模型具体情况见表2．

表2 网格模型具体情况

选取不同网格模型进行仿真,结果如图2所示,可以看出采用网格模型4与网格模型5的计算结果相差不大,但网格数量差距接近200×104,因此选取网格模型4进行计算的结果可信且计算成本较低,后续计算均采用该网格模型．

图2 网格无关性验证

2.3 荷载系数计算结果

在应用CFD软件进行计算时,网格划分尤其重要,本文划分的网格如图3所示．

图3 网格场景剖视图

利用Star-CCM+分别计算0°～180°(间隔15°)的荷载,并通过式(8)、(9)将其转换为量纲一的荷载系数．

(8)

式中:Cw,X为X方向风荷载系数;Cw,Y为Y方向风荷载系数;Cw,XY为艏摇方向风荷载系数;ρw为空气密度;vw为风速;At为横剖面迎风面积;Al为纵剖面迎风面积;Lbp为垂线间长;Mw,XY为船舶所受风荷载的回转力矩．

(9)

式中:Cc,X为X方向流荷载系数;Cc,Y为Y方向流荷载系数;Cc,XY为艏摇方向流荷载系数;ρc为海水密度;vc为流速;T为吃水;Mc,XY为船舶所受流荷载的回转力矩．

最终得出的量纲一的风荷载系数和流荷载系数分别如图4、5所示．

图4 风荷载系数

图5 流荷载系数

3 V形浮体码头系泊分析

3.1 环境工况设置

本次系泊计算考虑风、浪、流对船舶码头系泊的影响．风是对码头系泊船舶影响频率最高的环境荷载之一,经常给船舶系泊带来巨大影响．流荷载作用在船体湿表面,由于该V形浮体湿表面积较大,流荷载对其系泊安全影响显著[11]．

首先通过胡超魁等[12]在大连新港设置的3个观测站(1号站和3号站位于大连新港东部海域,2号站位于大连新港南部大连湾海域)所得数据研究大连湾附近海域的全年海况信息．通过分析可知,1号站涨潮流流向多为W—N向,落潮流流向多为S—SW向;2号站涨潮流流向多为NW—SW向,落潮流流向多为NE—E向;3号站涨潮流流向多为SW向,落潮流流向多为NE向．同时,在观测期间,最大实测流速为2号站表层流,流速为1.26 m/s,流向为252°,具体见表3．

表3 大连新港附近海域表层流流速与流向

大连附近海域的风多为NW风,平均风速为6 m/s．在胡超魁等[12]观测期间所测得的最大风速为9 m/s．波高数据采用大连老虎滩海洋站20 a的资料统计,该区域年均波高是0.4～0.5 m[13]．

综合考虑大连新港附近海域的环境特征,为进一步保证V形浮体在日常环境下的系泊安全,环境工况的设定见表4．

表4 环境工况设定

一般来说,对于浮式结构物,当风、浪、流对系泊系统作用力方向相同时将产生最大的力[14]．因此本文计算假定各环境荷载方向相同,计算角度间隔为30°．

3.2 系泊系统基本参数

对该V形浮体系泊系统进行时域仿真模拟的系泊物包括缆绳和护舷,其中缆绳为尼龙缆绳．尼龙缆绳基本参数见表5．

表5 尼龙缆绳基本参数

码头设置4个型号为SC2000H的超级鼓型(SUC)橡胶护舷,均为标准反力型．护舷基本参数见表6．

表6 护舷基本参数

3.3 系泊方案设计

从缆绳受力特点来说,缆绳越短,应变越大,受力就越大;缆绳破断顺序与缆绳长度密切相关,在风、浪、流的来袭方向,最先破断的缆绳基本是长度最短的缆绳[15]．因此,考虑增加近端缆绳数量,适当减少远端缆绳数量．参考石油公司国际海事论坛(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)发布的Mooring Equipment Guidelines[16],尽量减小系泊缆绳的垂向角度,使具有相同功能的系泊缆绳长度接近．综合以上因素,设计了以下两种不同的系泊方案．

(1)系泊方案1

由于V形浮体结构形式的特殊性,可以考虑利用码头两垂直边进行系泊,以减少对码头面积的占用．

V形浮体对称系泊在码头90°内,每一侧片体与码头夹角均为15°．缆绳关于V形浮体轴线对称布置,共18根,分为8组,其中2、3、7、8组缆绳主要承受船尾方向的力,作用是防止船身后移;1、4、5、6组缆绳主要承受船首方向的力,作用是防止船身前移．同时,这些缆绳均与系泊系统的X轴有一定角度,可以承受横向荷载,防止船身横向移动．在V形浮体船首两舷侧附近各固定放置一艘梯形驳船,驳船舷侧布置2个护舷,以降低浮体与码头接触时发生危险的可能性．系泊示意图如图6所示．

(b) AQWA软件计算模型

(2)系泊方案2

该系泊方案是常规系泊,利用V形浮体的一侧片体与码头平直边进行系泊．缆绳总共11根,分为8组,1、2、3、4组与5、6、7、8组近似对称分布．其中1、2、3组缆绳作为浮体的尾缆,主要承受船尾方向的力,防止船身前移;6、7、8组缆绳作为浮体的头缆,主要承受船首方向的力,防止船身后移．以这种方式系泊时,由于V形浮体结构的特殊性,从船尾方向来流对船体系泊的影响大于从船首方向的来流,因此尾缆相较于首缆增加一根．4、5组缆绳位于一侧片体的中心位置两侧,主要承受横向力,防止船身的横向移动．

以该种方式进行系泊时,为了降低浮体与码头接触时发生危险的可能性,保证系泊系统的安全,在码头的船首和船尾附近各放置2个护舷,护舷采用SC2000H超级鼓型(SUC)橡胶护舷．系泊示意图如图7所示．

(a) 系泊方案布置图

(b) AQWA软件计算模型

3.4 不同系泊方案系泊性能比较

利用AQWA软件对系泊系统进行静力平衡计算,采用系泊缆绳的张力以及护舷压力评估各系泊方案的系泊性能[17]．按照上文确定的环境工况,在AQWA软件时域水动力分析模块设置风、浪、流作用下V形浮体的运动模拟时长为10 800 s,时间步长为0.1 s．根据获得的计算结果,可以统计出不同环境荷载角度下系泊缆绳的张力和护舷压力的最大值,见表7～10,根据分析计算结果对系泊系统的系泊性能进行评估．Mooring Equipment Guidelines[16]规定:除钢丝绳外,其余系泊缆绳的安全系数应大于2．因此,当所有系泊缆绳的安全系数大于2,且护舷所受压力小于最大作用反力时,即为满足安全性的要求．

表7 系泊方案1各方向最大系泊缆绳张力

表8 系泊方案2各方向最大系泊缆绳张力

表9 系泊方案1各方向最大护舷压力

表10 系泊方案2各方向最大护舷压力

本文设计的两种系泊方案采用的均为直径80 mm的尼龙缆绳,其破断荷载为1 200 kN,因此考虑安全系数后的破断力许用值是600 kN．本文所采用的SC2000H超级鼓型(SUC)橡胶护舷的设计作用反力为1 781 kN．

通过分析计算结果可以看出,在相同环境荷载下,采用系泊方案1进行系泊时,系泊缆绳张力会在环境荷载方向为90°和120°时超过破断力许用值,系泊缆绳安全系数小于2,导致系泊系统存在安全风险．而采用系泊方案2进行系泊时,所有系泊缆绳安全系数均大于2,同时,4个护舷压力均小于最大作用反力,系泊系统无安全风险．

同时,系泊方案1需要18根系泊缆绳与4个护舷,而系泊方案2只需要11根缆绳与4个护舷,从系泊经济性来说,系泊方案2也优于系泊方案1．因此,采用系泊方案2进行后续计算．

4 主要参数对系泊系统的影响分析

4.1 排水量对系泊系统的影响

采用系泊方案2,通过对比该V形浮体分别吃水15 m和10 m的系泊性能发现,在风速15 m/s、波高1 m、流速1.5 m/s的环境工况下,当V形浮体吃水为10 m时,可以安全系泊,而当吃水为15 m时,在环境荷载方向为-180°、-150°、-120°和150°时,系泊缆绳安全系数小于2．具体计算结果见表11．

表11 吃水15 m时采用系泊方案2各方向最大系泊缆绳张力

造成上述现象的原因为V形浮体的排水量增加,其吃水随之增加,湿表面积增大,作用于浮体上的流荷载进而增大,且流荷载远大于风荷载．因此,该V形浮体进行码头系泊时,应尽量降低其排水量,减小吃水,以保证系泊系统的安全．

4.2 系泊缆绳种类对系泊系统的影响

上文中利用AQWA软件进行的时域水动力分析均采用的是直径80 mm的尼龙缆绳．为探究系泊缆绳种类对系泊系统的影响,将缆绳更换为直径64 mm的迪尼玛缆绳再次进行计算．

迪尼玛缆绳由超高分子质量聚乙烯纤维编织而成,具有诸多优越性,如密度低、质量小、强度高和耐腐蚀等[18]．本文采用的迪尼玛缆绳基本参数见表12．具体计算结果见表13．

表12 迪尼玛缆绳基本参数

表13 系泊方案2采用迪尼玛缆绳时的各方向最大系泊缆绳张力

从表13可见,当采用迪尼玛缆绳时,所有系泊缆绳的安全系数均大于2,且与采用直径80 mm的尼龙缆绳相比,其安全系数更高,相对来说系泊系统的安全性更高．如图8所示,由于迪尼玛缆绳的刚度较尼龙缆绳更大,在对V形浮体位移的限制上也有明显优势,可以使浮体的运动幅度更小．但迪尼玛缆绳相较于尼龙缆绳来说价格昂贵,在选择缆绳时应综合考虑其性价比等因素．

图8 采用迪尼玛缆绳和尼龙缆绳的位移对比

5 结 论

(1)利用码头两垂直边进行系泊时,系泊缆绳张力会在环境荷载方向为90°和120°时超过破断力许用值,系泊缆绳的安全系数小于2,导致系泊系统存在安全风险．而利用V形浮体一侧片体与码头平直边进行系泊时,所有系泊缆绳的安全系数均大于2,4个护舷压力均小于最大作用反力,系泊系统无安全风险．因此,对于该V形浮体,应当采用系泊方案2对其进行系泊．

(2)在对V形浮体进行码头系泊时,应尽量降低其排水量,减小吃水,以减小流荷载对系泊系统的影响,从而提升其安全性．

(3)采用强度和刚度更大的迪尼玛缆绳可以提升系泊系统的安全性并显著降低V形浮体的运动幅度,但选择系泊缆绳时还需综合考虑系泊成本．

(4)本文所计算的环境工况相较于大连新港附近海域全年绝大部分时间的环境工况更为恶劣,但若遇台风等极端天气,应采取相应措施,以保证系泊系统的安全性．