深水养殖平台的水动力特性及锚泊安全

张甫杰, 朱云龙，王 丹，郭宇龙

(1.上海船舶运输科学研究所有限公司 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135；2.上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

当前，离岸深水养殖系统正朝着智能化、现场无人值守的方向发展，已在沿海地区得到规模化应用。离岸深水养殖平台由柔软的网衣、刚性的箱体和多组桁架组成，属于柔性体与刚性体的组合体。网衣属于柔性结构物，在外部载荷的作用下会发生变形。养殖平台的水动力特性和锚泊系统的安全性是整个平台设计的核心。平台的抗风浪特性主要是指利用平台自身浮箱的结构强度和系泊结构抵抗台风、大浪等恶劣环境的性能。目前国内外有关养殖平台及其锚泊系统的时域运动响应的研究在海洋工程装备领域发展较快，已取得很多研究成果。

对于深水养殖平台这种刚柔组合体的水动力特性，目前市场上还没有成熟的商业软件能用来对其进行准确分析，水池试验仍是必不可少的手段。在对平台进行试验研究时,必须对网衣作特殊考虑，其承受的水动力对系泊系统的安全性有明显的影响,国内外已有很多学者对此进行研究。桂福坤等[1]和李玉成等[2]针对网箱模型试验中的网衣相似性提出了新的模拟方法;SLAATTELID等[3]针对一种重力式网箱,对不同海况下锚绳的受力特性和浮架结构的应力特性进行了试验研究;FREDRIKSSON等[4]通过模型试验对重力式和蝶形网箱在波浪和水流作用下的运动特性进行了研究;COLBOURNE等[5]采用物模试验和现场观测方法认为水流对网衣受力起主导作用。

目前，对由箱体与桁架组成的刚性体的水动力性能,以及柔性网衣在纯流和纯波浪作用下的作用机理的研究已较为成熟，对由柔性体与刚性体组成的组合体的研究相对较少。本文主要针对养殖平台的风流系数及其在规则波下的运动响应、在锚泊状态下的运动和受力情况进行试验研究，获得平台的风流系数及其在规则波下的横摇、纵摇和垂荡频率响应曲线,平台运动固有周期,系泊系统的系泊刚度,平台运动和系泊缆受力的统计特征值等，为平台及其锚泊系统的优化设计和作业安全评估提供参考。

1 养殖平台及其锚泊系统

1.1 养殖平台主尺度

养殖平台主要由箱体、桁架和柔性网衣组成，其主尺度见表1。综合考虑水池的主尺度和试验测量仪器的量程及精度，取模型的缩尺比为1∶30。图1为养殖平台的物理模型和数值模型。

表1 养殖平台的主尺度

a) 物理模型

b) 数值模型

1.2 锚泊系统布置

锚泊系统采用四点锚泊布置方式，系泊链由2段直径不同的锚链组成，水平距离为175 m，悬链线总长为202 m，躺地长度为170 m，上端飞溅区锚链长为8 m，上部锚链配3个5 t重的沉块,下端锚链长为194 m。图2为锚泊系统平面布置图。

图2 锚泊系统平面布置图

1.3 环境参数

1) 作业水深：30 m。

2) 极限风速：51.5 m/s。

3) 流速：1 m/s。

4) 生存海况：Jonswap波谱(谱峰提升因子γ=3.3);有义波高Hs=5.0 m;谱峰周期Tp=10 s。

2 模型试验设施

模型试验在上海船舶运输科学研究所有限公司的风浪流水池内进行，该水池长90 m，宽15 m,水深为0.2～1.8 m。造波设备为液压摇板式造波机，最大波高为30 cm，波动周期为0.5～3.0 s。造流方式为全场循环造流，最大流速为0.3 m/s;风速由可调节转速的风机模拟，最大风速为10 m/s。在造波设备所在池边的对岸设置消波滩，可有效消除波浪到达对岸池壁之后出现的反射作用。

2.1 相似理论

根据《风、浪、流联合作用下浮式系统模型试验规程》[6]的要求,模型的缩尺比采用1∶30,应满足几何相似、流体动力相似、非定常流相似和锚链弹性相似。在模型中对柔性网衣作特殊处理，其需满足几何相似、重力相似和弹性相似。网衣模型设计遵循重力相似的变尺度网衣模型相似准则[7]，可有效解决波浪、水流作用下的网衣水动力特性模拟不准确的问题。由此,对网衣的轮廓尺寸采用1∶30的模型比尺，对网衣的网目大小和网线直径采用1∶3的模型比尺,以精确模拟原型网衣的特性，降低网衣模型对水体流态和雷诺数的影响，保证水动力相似,使网衣模型制作方案可行。

2.2 试验方法[8]

2.2.1 风、流作用下的试验方法

将三分力传感器固定在模型重心位置，使模型与副拖车连接，提前标定好要求的风速和流速，按试验要求的速度分别启动造风设备或造流设备，测量浮体模型在不同艏向角下受到的局部坐标系下x方向和y方向的分力，通过公式cwc=fwc/vwc2(其中:cwc为单位速度下的力系数;fwc为要求风速或流速下的受力;vwc为风速或流速)推导出x方向和y方向的分力与速度的关系曲线。

2.2.2 规则波下的频率响应试验方法

采用《海洋工程结构物耐波性试验规程》[9]推荐的约束系统布置方式，选择合适的弹簧约束慢漂运动，将波高控制在一定范围内，模拟不同频率(波长)的规则波进行10～12个单项试验，在每个单项试验中同步测量波浪及浮体的横摇、纵摇和垂荡时历数据，并对其进行分析,得到浮体在规则波下的频率响应曲线。

2.2.3 锚泊状态下的运动和受力测试方法

在模型的吃水、静水衰减和水平系泊刚度校核完成之后，使锚链模型两端分别与浮体的导缆孔和水池底部条件锚碇点相连接，并安装提前标定好的拉力传感器，检查预张力和仪器信号准确无误之后，开展风、浪、流同向条件下的运动和受力试验测试。

3 数值计算与模型试验结果

3.1 风、流系数

由于石油公司国际海事论坛(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)建议的风力和流力经验公式[10]是针对油船的，且与受风和迎流面积有关，考虑到养殖平台的很多桁架和网衣的迎风、迎流投影面积难以准确计算，直接将试验结果中的风、流系数换算成力与速度的关系。平台大部分都处于水面之下，图3为风、流系数的数值计算与模型试验结果对比。从图3中可看出，单位流速下的流力明显大于单位风速下的风力，流力占绝对主导地位。数值计算采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件StarCCM+进行，计算中忽略网衣的影响。通过对比分析发现,试验结果与数值计算结果整体的变化规律一致，相对来说比较吻合。

a) 风系数Fw

b) 流系数Fc

3.2 规则波下的运动响应曲线

在数值分析中,采用基于三维势流理论的水动力软件HydroSTAR建立养殖平台模型，其中桁架单元采用Morison杆单元，不考虑网衣模型的影响。图4为通过模型试验和数值计算得到的平台在不同浪向、规则波作用下的运动响应曲线。总体来说,模型试验与数值计算结果的规律性一致，从某种程度上看,忽略网衣的影响可满足工程应用需求，侧面证明网衣在纯波浪作用下对平台运动的影响较小，浮箱和桁架系统起决定性作用。

3.3 锚泊系统安全性试验结果

3.3.1 静水衰减结果

养殖平台的稳性值(初稳心高度hGM)相比常规船大1个量级，因此衰减速度特别快，只能测得1～2个周期。图5为横摇和纵摇的静水衰减曲线，其中:θ为纵摇角;s为波高;z为垂荡值;w为波浪频率。据此可求得平台的横摇周期为4.253 s，纵摇周期为4.576 s。

a) 0°浪向角下的纵摇结果

b) 0°浪向角下的垂荡结果

c) 45°浪向角下的横摇结果

d) 45°浪向角下的纵摇结果

e) 45°浪向角下的垂荡结果

f) 90°浪向角下的横摇结果

g) 90°浪向角下的垂荡结果

a) 横摇

b) 纵摇

3.3.2 水平系泊刚度

图6为水平系泊刚度测试结果。由图6可知：锚泊系统水平刚度试验测量值与数值计算值的整体变化规律较为一致，由于锚泊系统相对比较柔，锚碇点处在初始状态下无任何预紧力，水平拉力与位移的关系曲线与数值计算结果基本吻合；锚泊系统悬链线长度与水深比约为6.7，无论是纵向还是横向，系泊刚度在位移小于25 m时都较小，在位移大于25 m之后呈现出高度的非线性，会导致迎浪侧系泊缆受力激增。

a) 纵向

b) 横向

3.3.3 风浪流联合作用下的运动和受力值

养殖平台在风力、流力和波浪平均漂移力作用下偏移到一个新的平衡位置处做往复运动，表2为4根系泊锚链的受力统计特征值，背浪侧的1#和4#锚链处于松弛状态，迎浪侧的2#和3#锚链受力最大，最大值约为1 270 kN，远小于锚链破断负荷和锚抓力最大值，锚泊系统是安全的。表3为平台运动统计值,横摇和垂荡最大值分别为10.30°和2.70 m。

表2 4根系泊锚链的受力统计特征值

表3 平台运动统计值

4 结 语

针对深水养殖平台的水动力特性及其锚泊系统的安全性进行了数值计算和物模试验研究，主要得到以下结论：

1) 由于平台的初稳心高度很大，稳性较好，衰减速度很快，平台的固有周期较小;

2) 模型试验结果和数值计算结果均表明,单位速度下流力的影响大于风力，流力占主导地位;

3) 基于势流理论,忽略网衣影响的平台运动响应数值计算结果与带网衣的模型试验结果的变化规律基本一致;

4) 在风、浪、流同向(090°)工况下，风力、流力和波浪二阶力迫使平台偏离初始平衡位置，系泊缆在波频和低频作用下承受的最大作用力为1 272 kN，相对于锚链最小破断负荷来说，安全系数为2.9，满足船级社相关规范的要求，具有一定的安全裕度。