內(nèi)河錨泊浮式碼頭水動力性能分析

彭澤宇，劉祚秋，富明慧

(中山大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與工程學(xué)系，廣東廣州510006)

摘要：近年來內(nèi)河水路運輸飛速發(fā)展，浮式碼頭以其自身優(yōu)勢多運用于潮差較大的河段，由于浮式結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪等環(huán)境因素影響較大，故對其水動力性能的研究至關(guān)重要。應(yīng)用基于三維勢流理論的水動力分析軟件ANSYS/Workbench/AQWA建立浮式碼頭數(shù)值仿真計算模型，對浮式碼頭分別進(jìn)行了頻域分析和時域分析，考慮JONSWAP波浪譜與API風(fēng)譜聯(lián)合作用下浮式碼頭的運動響應(yīng)，研究了不同的碼頭寬度和吃水深度對其水動力性能的影響。分析研究結(jié)果表明，浮式碼頭固有周期大約為3~8 s，設(shè)計時需注意避免固有周期與波浪遭遇周期接近，以免發(fā)生共振；浮式碼頭在高頻區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定性較好，但耐波性較差；適當(dāng)增加浮式碼頭寬度、減小吃水深度可以減小其運動響應(yīng)幅值，研究結(jié)果可為錨泊浮式碼頭的設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞：浮式碼頭； 水動力分析； 時/頻域分析； 運動響應(yīng)

中圖分類號：U656.1`+17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0053-06

Abstract：In recent years, waterway transport on the inland river is springing up vigorously. With their own advantages, the floating piers are located on the river where the tidal range is larger. The floating piers are greatly influenced by the wave conditions, so it is very important to carry out the research on their hydrodynamic performance. A numerical simulation model is established by using a hydrodynamic simulation software ANSYS/Workbench/AQWA based on the 3d potential flow theory. Analysis of the floating piers is carried out in the frequency domain and time domain, predicting the dynamic response of the pier in JONSWAP spectrum and API spectrum. Effects of various parameters such as the beam and draft of the pier are also studied in this paper. Finally the analysis results show that the natural period of the floating pier is about 3～8 s. In the design, attention should be paid to avoid producing resonance when the natural period of the floating pier and the wave period are close. The stability of the floating pier in the high frequency region is better, but the wave keeping is poor. For stable operation of the floating pier, it is necessary to increase the pier’s width and reduce its draft appropriately. This study can provide a theoretical reference for the design of the similar floating piers.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.009

收稿日期：2014-10-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51379054)

作者簡介：王慧(1958—)， 女， 安徽蕪湖人， 副教授， 主要從事水利工程新技術(shù)、河道治理、環(huán)境水利等方面的研究。E-mail：whhut@sina.com

我國內(nèi)河某些河段由于受到河床地形、潮汐或風(fēng)浪影響，近岸處水深變化劇烈，運輸船舶無法正常停泊。對于這種潮差較大造成裝卸作業(yè)困難或有人員上下要求的碼頭，通常采用浮式碼頭。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者都對浮式碼頭做了相關(guān)研究。其中，劉遠(yuǎn)傳等[1]針對入射波浪下浮式碼頭的運動響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了浮式碼頭六自由度運動的時歷曲線，并且對系泊系統(tǒng)的受力進(jìn)行了分析；王建華等[2]針對南海浮式碼頭與系泊系統(tǒng)進(jìn)行了動力耦合分析，采用基于質(zhì)量法的動力分析方法，并且將結(jié)果同靜力分析進(jìn)行對比；鄭治國等[3]討論了浮式碼頭不同模塊的組成方案及其運動特性，并給出了設(shè)計時需要注意的問題；肖越等[4]在頻域內(nèi)利用數(shù)值方法研究了錨泊浮體在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的運動響應(yīng)和錨鏈線張力變化；H. H. Lee等[5]對二維浮式碼頭在波浪作用下的受力和運動響應(yīng)求解并得到了理論解；此外，Z. Tajali[6]，I.Diamantoulaki[7]，G.V.Ocrtmerssen等[8-11]也針對浮式碼頭的不同問題進(jìn)行了分析研究。

AQWA是全球權(quán)威的船舶與海洋工程商業(yè)軟件之一，主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)流體動力學(xué)特性評估。本文采用多體水動力軟件ANSYS/Workbench/AQWA建立浮式碼頭的計算模型，并進(jìn)行水動力分析，研究了風(fēng)浪、吃水深度、模塊寬度對碼頭運動響應(yīng)的影響，為實際工程中浮式碼頭的設(shè)計提供參考。

1理論基礎(chǔ)

對于不可壓縮的理想流體，在無旋場中，其控制方程可以簡化為Laplace方程：

(1)

假定自由表面的波浪運動及多體浮式碼頭的運動是微幅的，因此可以認(rèn)為速度勢為線性。應(yīng)用疊加原理，可將總速度勢分解為入射波速度勢、繞射速度勢和輻射速度勢：

(2)

式中：φI為入射波速度勢，不計浮式碼頭存在對入射波流場影響；φD為繞射速度勢，為靜止浮式碼頭存在于流場中對流場速度分布所產(chǎn)生的影響；φR為輻射速度勢，計算浮式碼頭的振蕩對流場速度分布的影響。

根據(jù)三維勢流理論求得入射勢、繞射勢和輻射勢之后，利用伯努利方程：

(3)

可以求出流場內(nèi)的壓力分布，將其沿浮式碼頭濕表面積分，即可得到浮式碼頭受到的一階波浪力：

(4)

式中：fi為第i個自由度的一階波浪力；ni為第i個自由度的法向。

浮式碼頭在頻域下的一階運動方程為：

(5)

式中: mij為質(zhì)量或慣性矩；μij為附加質(zhì)量；λij為阻尼系數(shù)；cij為回復(fù)力系數(shù)；xj為運動幅值。

求解該方程就可得到浮式碼頭在固定頻率規(guī)則波作用下的運動響應(yīng)。AQWA 中Hydrodynamic Diffraction模塊即為頻域計算模塊，將其計算求得的浮式碼頭在頻域內(nèi)的水動力參數(shù)，以及給定的風(fēng)、浪、流等外載荷作用力數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hydrodynamic time response模塊，應(yīng)用Cummins脈沖理論，即可進(jìn)行時域分析。時域下浮式碼頭的運動方程為：

(6)

(7)

圖1　坐標(biāo)系及環(huán)境力方向定義 Fig.1 Definition of coordinate system and environment forces

式中：M為浮式碼頭質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x為位移矢量；F為激勵力矢量；Fs為靜態(tài)力；Fwf為波頻力；Fsv為低頻慢漂力；Fm為系泊力。

2計算模型

本文假設(shè)浮式碼頭為剛體且不透水，水深7 m，采用四纜對稱系泊方式，纜繩在水平面上投影與x軸和y軸均成45°角，分別考慮不同的碼頭寬度和吃水深度。浮式碼頭主尺度分別為：長108 m，寬5, 7, 9 m；高2.6 m，吃水深度1.3, 1.5, 2.0 m，重心高度0.8 m，坐標(biāo)系定義如圖1，環(huán)境參數(shù)如表1。

針對碼頭結(jié)構(gòu)特點，采用自由劃分功能對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，設(shè)定最大單元尺寸1 m,最小容忍尺寸0.5 m，最大允許頻率3.826 rad/s，網(wǎng)格單元數(shù)6 240個。在劃分完網(wǎng)格后，輸入Hydrodynamic Diffraction模塊與Hydrodynamic time response模塊進(jìn)行頻/時域計算。

表1　主要環(huán)境參數(shù)

3計算結(jié)果分析

3.1頻域分析

應(yīng)用三維勢流理論，計算得到浮式碼頭在不同浪向角和頻率的規(guī)則波作用下的響應(yīng)。圖2給出了碼頭垂蕩、縱搖、橫搖的幅值響應(yīng)算子RAO隨浪向角和頻率變化的情況，可見，垂蕩固有頻率為1.5 rad/s，固有周期為4.2 s；縱搖固有頻率為0.8 rad/s，固有周期為7.8 s；橫搖固有頻率為1.6 rad/s，固有周期為3.9 s，當(dāng)固有頻率與遭遇頻率接近時，碼頭將處于共振區(qū)，由此導(dǎo)致運動響應(yīng)劇烈，所以，在設(shè)計時應(yīng)特別注意避開常見波浪周期內(nèi)引起的共振。由于碼頭外形并非雙向曲面，當(dāng)波浪波長大于40 m，其垂蕩運動顯著增大，這表明其耐波性能較差。

圖2　不同浪向角、頻率下碼頭幅值響應(yīng)算子值 Fig.2 Response amplitude operation in waves with different wave headings and frequencies

圖3給出了不同寬度碼頭在不同頻率波浪垂直入射條件下的垂蕩、橫搖和橫蕩幅值響應(yīng)算子，計算結(jié)果顯示，浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩的峰值頻率和峰值振幅隨著碼頭寬度的增加而減小，其原因是由于浮式碼頭寬度的增加導(dǎo)致相應(yīng)的質(zhì)量增加，從而增加了水動力系數(shù)。考慮到寬度的影響，在實際設(shè)計中，采用較大寬度的浮式碼頭更好。

圖3　不同寬度的碼頭在橫浪中幅值響應(yīng)算子值(吃水1.5 m) Fig.3 Response amplitude operation in beam waves with different dimensions (draught of 1.5 m)

圖4給出了不同吃水深度碼頭在不同頻率波浪垂直入射條件下的垂蕩、橫搖和橫蕩幅值響應(yīng)算子，計算結(jié)果顯示，浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩運動峰值振幅隨著碼頭吃水深度的增加而增加，但峰值頻率隨著碼頭吃水深度的增加而減小?？紤]到吃水深度的影響，在實際設(shè)計中，浮式碼頭吃水深度不宜過大,以避免處于共振區(qū)。

圖4　不同吃水深度的碼頭在橫浪中幅值響應(yīng)算子值(寬7 m) Fig.4 Response amplitude operation in beam waves with different draughts (width of 7 m)

3.2時域分析

為了能夠準(zhǔn)確分析浮式碼頭的總體響應(yīng)，在時域內(nèi)求解總體運動方程，并且考慮系泊纜與碼頭完全耦合。計算步長設(shè)為0.1 s，總計算時間為150 s，最后計算得出浮式碼頭在JONSWAP波浪譜下的運動時歷曲線。

圖5分別給出了浪向角90°時，浮式碼頭垂蕩、橫蕩、縱搖和橫搖運動響應(yīng)。在迎浪狀態(tài)下，橫蕩運動相比于垂蕩運動響應(yīng)幅值較大，響應(yīng)頻率較低，具有低頻運動特性；橫搖運動響應(yīng)幅值較大，響應(yīng)頻率也較高，這是由波浪垂直碼頭方向傳播造成的；縱搖運動響應(yīng)幅值較小，響應(yīng)頻率也較低，易滿足要求。垂蕩、橫搖運動響應(yīng)是評價浮式碼頭工作性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時一定要注意控制其穩(wěn)定性以保證正常的裝卸貨物。

圖5　浮式碼頭在橫浪中運動時歷曲線 Fig.5 Time series of motion responses of a floating pier in beam waves

4結(jié)語

(1)浮式碼頭固有周期大約為3~8 s，設(shè)計時要注意避免固有周期與波浪遭遇周期接近，以免發(fā)生共振，碼頭在高頻區(qū)域(ω>1.5rad/s)內(nèi)穩(wěn)定性較好，但耐波性較差。

(2)浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩的峰值頻率和峰值振幅隨著碼頭寬度的增加而減小，設(shè)計時宜增加碼頭寬度;浮式碼頭垂蕩、橫搖和橫蕩運動峰值振幅隨著碼頭吃水深度的增加而增加，但峰值頻率隨著碼頭吃水深度的增加而減小，設(shè)計時碼頭吃水深度不宜過大;浮式碼頭縱搖運動較小，易滿足要求，垂蕩、橫搖運動響應(yīng)是評價浮式碼頭工作性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計時應(yīng)注意控制其響應(yīng)幅值。

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Hydrodynamic analysis of a moored floating pier on an inland river

PENG Ze-yu, LIU Zuo-qiu, FU Ming-hui

(DepartmentofAppliedMechanicsandEngineering,CollegeofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510006,China)

Key words： floating pier; hydrodynamic analysis; time/frequency domain analysis; motion response

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