王華潔，孫金偉, *，邵萌，范秀濤

(1. 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所, 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001； 2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

【海洋科技與裝備】

頻域內(nèi)海洋資料浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)特性研究

王華潔1，孫金偉1, 2 *，邵萌2，范秀濤1

(1. 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所, 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001； 2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

隨波性作為海洋資料浮標(biāo)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，影響著波浪參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度。本文應(yīng)用三維勢(shì)流理論計(jì)算了圓盤(pán)浮標(biāo)體的附加質(zhì)量、興波阻尼系數(shù)等水動(dòng)力系數(shù)以及波浪激勵(lì)力，基于單自由度運(yùn)動(dòng)方程研究了自由浮標(biāo)的垂蕩響應(yīng)?？紤]錨鏈垂向彈性回復(fù)剛度系數(shù)對(duì)浮標(biāo)垂蕩的影響，研究了兩種類型系泊浮標(biāo)在波浪中的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，直徑3 m浮標(biāo)較直徑10 m浮標(biāo)具有更好的隨波性，且錨鏈對(duì)3 m浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響較10 m浮標(biāo)更為顯著。研究結(jié)果對(duì)波浪傳感器的參數(shù)修正具有重要意義。

海洋資料浮標(biāo)；垂蕩響應(yīng)；彈性系數(shù)；頻域

海洋資料浮標(biāo)是錨泊在特定海域位置的水面水文氣象觀測(cè)站，波浪是眾多水文氣象觀測(cè)要素中重要的一項(xiàng)，為保證不同周期范圍內(nèi)的波浪測(cè)量準(zhǔn)確度，要求海洋資料浮標(biāo)要具有良好的隨波性。浮標(biāo)的隨波性主要體現(xiàn)在波浪作用下浮標(biāo)的垂蕩自由度運(yùn)動(dòng)，因此精確預(yù)報(bào)浮標(biāo)在不同波浪頻率下的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，揭示其垂蕩運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于該類浮標(biāo)的波浪傳感器參數(shù)修正、提高數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度具有重要意義。

勢(shì)流理論廣泛地應(yīng)用于預(yù)報(bào)浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)的性能，能夠得到較為理想的浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果。海洋資料浮標(biāo)是由柔性錨系和剛性浮體組成的海洋浮式結(jié)構(gòu)物，對(duì)于該類浮式結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注較多的是深水大尺度浮式鉆井平臺(tái)、采油平臺(tái)和深水儲(chǔ)/卸油浮筒等，研究重點(diǎn)集中在浮體的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及錨系受力，而對(duì)于近海海洋資料浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征的研究較少。

Bunnik等[1]、Cozijin等[2-3]對(duì)深水多錨腿懸鏈系泊的儲(chǔ)/卸油浮筒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了耦合動(dòng)力分析和模型試驗(yàn)研究。Umar等[4]采用時(shí)域方法研究了多點(diǎn)系泊浮標(biāo)在波浪一階和二階激勵(lì)力作用下的單自由度縱蕩響應(yīng)。Idris等[5]在時(shí)域內(nèi)對(duì)系泊浮標(biāo)開(kāi)展了耦合動(dòng)力數(shù)值分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Leonard等[6]采用三維耦合分析方法研究了浮標(biāo)與錨系之間的耦合作用。陳小紅等[7]采用頻域方法進(jìn)行了單點(diǎn)系泊浮標(biāo)的動(dòng)力分析，研究了錨泊線與浮標(biāo)體之間的耦合關(guān)系?？娙鞯萚8]提出了一種快速計(jì)算錨鏈動(dòng)力的簡(jiǎn)化分析方法，應(yīng)用脈沖響應(yīng)的卡明斯運(yùn)動(dòng)方程，在時(shí)域內(nèi)對(duì)極限海況下三錨系統(tǒng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和錨系受力進(jìn)行了數(shù)值模擬估算。范秀濤等[9]用譜分析方法研究了大型海洋資料浮標(biāo)的垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，但是研究中沒(méi)有考慮錨系的影響。張繼明等[10]利用浮標(biāo)模型試驗(yàn)修正橫搖阻尼系數(shù)，在頻域內(nèi)對(duì)海洋資料浮標(biāo)的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，同樣沒(méi)有考慮錨系的作用。

對(duì)于深水浮式結(jié)構(gòu)，由于錨系長(zhǎng)度大，錨系的慣性及阻尼對(duì)浮體的運(yùn)動(dòng)有明顯影響，二者存在著強(qiáng)烈的耦合作用，需要進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)分析[11]。但是耦合分析方法復(fù)雜、計(jì)算量大，對(duì)于近海淺水單點(diǎn)系泊資料浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析顯得并不經(jīng)濟(jì)。浮體在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析可在時(shí)域或頻域內(nèi)進(jìn)行，時(shí)域方法能夠處理非線性問(wèn)題，精度高，但是計(jì)算量大、計(jì)算耗時(shí)；頻域分析方法適用于線性或弱非線性問(wèn)題，計(jì)算快速簡(jiǎn)便、效率高，適合于非線性特征并不顯著的浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)的分析計(jì)算。

本文在頻域內(nèi)研究了單點(diǎn)系泊海洋資料浮標(biāo)在波浪中的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng),應(yīng)用三維勢(shì)流理論計(jì)算了浮標(biāo)體的附加質(zhì)量、勢(shì)流阻尼系數(shù)及波浪激勵(lì)力。由于浮標(biāo)的對(duì)稱性，其他自由度與垂蕩之間沒(méi)有耦合影響，本文建立浮標(biāo)體單自由度垂蕩運(yùn)動(dòng)方程，求解自由浮標(biāo)的垂蕩響應(yīng)。對(duì)于系泊浮標(biāo)，考慮錨鏈垂向彈性系數(shù)對(duì)浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響，研究了在水深15 m時(shí)，直徑10 m和3 m兩種不同類型浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)特性。本文的研究結(jié)果對(duì)考慮浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)影響的波浪傳感器參數(shù)修正具有重要意義。

1 頻域運(yùn)動(dòng)方程

1.1 自由浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程

在浮體水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)特性研究中，一般將浮體認(rèn)為是具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的剛體。浮標(biāo)在多種載荷的作用下保持運(yùn)動(dòng)平衡，作用力包括慣性力、阻尼力、回復(fù)力以及波浪激勵(lì)力。根據(jù)牛頓第二定律，自由浮標(biāo)在頻域內(nèi)運(yùn)動(dòng)微分方程如下：

(1)

其中，M是浮標(biāo)質(zhì)量矩陣，μ是浮標(biāo)的附加質(zhì)量矩陣，C是勢(shì)流阻尼系數(shù)矩陣，K是靜水回復(fù)剛度矩陣，F(xiàn)是波浪激勵(lì)力矩陣，X是浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)矩陣。其中附加質(zhì)量μ、勢(shì)流阻尼系數(shù)C以及波浪激勵(lì)力F可由勢(shì)流理論[12]計(jì)算得到。

1.2 質(zhì)量與回復(fù)剛度矩陣

建立浮標(biāo)的質(zhì)量模型，其中坐標(biāo)原點(diǎn)在浮標(biāo)底部中心位置，X軸與Y軸位于浮標(biāo)底部平面，Z軸豎直向上。考慮自由度之間的耦合作用，質(zhì)量矩陣M的表達(dá)式如下：

(2)

式中，m是浮標(biāo)體質(zhì)量，xG、yG和zG是浮標(biāo)重心坐標(biāo)，Iij是浮標(biāo)質(zhì)量慣性矩。

回復(fù)剛度矩陣K可由流體靜力學(xué)計(jì)算得到，其表達(dá)式如下：

(3)

式中，ρ為流體密度，A是浮標(biāo)水線面面積，Δ為浮標(biāo)排水量，xgb、ygb和zgb為浮標(biāo)浮心與重心之間的距離。

1.3 附加質(zhì)量與阻尼

浮標(biāo)在波浪力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將產(chǎn)生一個(gè)輻射速度勢(shì)，從而改變速度場(chǎng)的分布，使浮標(biāo)受到一個(gè)附加水動(dòng)力載荷。由于該載荷與浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度成正比，所以通常以附加質(zhì)量和阻尼的形式表示，其表達(dá)式如下：

(4)

(5)

1.4 運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化

1.4.1 自由浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程

浮標(biāo)在規(guī)則簡(jiǎn)諧波激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波浪力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可表示成如下形式：

F=feiωt，

(6)

X=xeiωt，

(7)

橫向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)物的6個(gè)耦合運(yùn)動(dòng)方程可以簡(jiǎn)化為兩組方程，一組是縱蕩、垂蕩和縱搖的3個(gè)耦合方程；另一組是橫蕩、橫搖和艏搖的耦合方程。橫向運(yùn)動(dòng)(橫蕩、艏搖和橫搖)與垂向和縱向運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有耦合效應(yīng)[13]。由于浮標(biāo)是雙軸對(duì)稱的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，因此，附加質(zhì)量μ31，μ35以及勢(shì)流阻尼系數(shù)C31，C35均為0；同時(shí)由公式(3)可知，靜水回復(fù)剛度系數(shù)K31，K35也為0，即縱蕩與垂蕩以及縱搖與垂蕩之間沒(méi)有耦合作用，浮標(biāo)的垂蕩響應(yīng)可通過(guò)求解單自由度垂蕩方程獲得。

將式(6)和(7)代入式(1)，整理得到浮標(biāo)單自由度垂蕩響應(yīng)運(yùn)動(dòng)方程如下：

(8)

1.4.2 系泊浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程

海洋資料浮標(biāo)采用全錨鏈的單點(diǎn)懸鏈?zhǔn)较挡捶绞??？紤]到浮標(biāo)所處水深較淺，計(jì)算中忽略錨鏈與浮標(biāo)之間的動(dòng)力耦合作用，僅考慮錨鏈的垂向彈性系數(shù)對(duì)浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

錨系的垂向彈性系數(shù)可根據(jù)懸鏈線理論計(jì)算求解。若不考慮浮標(biāo)靜態(tài)偏移，那么錨系的垂向彈性系數(shù)即為錨系的單位長(zhǎng)度水下重量。將錨鏈垂向彈性系數(shù)引入浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程，即可求解系泊浮標(biāo)在海洋環(huán)境條件激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。系泊浮標(biāo)在波浪中的運(yùn)動(dòng)方程如下：

(9)

式中，Km是系泊錨鏈的垂向彈性系數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 浮標(biāo)參數(shù)

本文的研究對(duì)象是直徑10 m和3 m的圓盤(pán)型浮標(biāo)。圖1和圖2分別是10 m和3 m浮標(biāo)的幾何尺寸，表1和表2是浮標(biāo)的質(zhì)量參數(shù)。

單位：mm圖1 10 m浮標(biāo)幾何尺寸Fig.1 Size of the 10 m diameter buoy

單位：mm圖2 3 m浮標(biāo)幾何尺寸Fig.2 Size of the 3 m diameter buoy

浮標(biāo)質(zhì)量/kg重心距基線高度/m慣性矩Ixx/(kg·m2)慣性矩Iyy/(kg·m2)慣性矩Izz/(kg·m2)520001．044．28×1054．28×1054．92×105

表2 3m浮標(biāo)質(zhì)量參數(shù)

2.2 浮標(biāo)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

基于勢(shì)流理論，在頻域內(nèi)求解了浮標(biāo)體的水動(dòng)力參數(shù)，分析中只考慮波浪作用，波浪入射角為0°。圖3和圖4是10 m和3 m浮標(biāo)垂蕩自由度附加質(zhì)量曲線，圖5和圖6是垂蕩自由度勢(shì)流阻尼系數(shù)曲線，圖7和圖8是垂蕩自由度的波浪激勵(lì)力RAO(響應(yīng)幅值算子)曲線。圖9和圖10是3 m浮標(biāo)垂蕩-縱蕩耦合自由度附加質(zhì)量和垂蕩-縱蕩耦合自由度勢(shì)流阻尼系數(shù)曲線。根據(jù)浮標(biāo)質(zhì)量以及頻域計(jì)算獲得的浮標(biāo)附加質(zhì)量和靜水回復(fù)剛度，可以得到浮標(biāo)的垂蕩固有周期。經(jīng)計(jì)算，10 m浮標(biāo)的垂蕩固有周期為3.15 s，3 m浮標(biāo)的垂蕩固有周期為1.82 s。

圖3 10 m浮標(biāo)垂蕩附加質(zhì)量Fig.3 Heave added mass of the 10 m diameter buoy

圖4 3 m浮標(biāo)垂蕩附加質(zhì)量 Fig.4 Heave added mass of the 3 m diameter buoy

圖5 10 m浮標(biāo)垂蕩勢(shì)流阻尼系數(shù)Fig.5 Heave potential damping coefficients of the 10 m diameter buoy

圖6 3 m浮標(biāo)垂蕩勢(shì)流阻尼系數(shù)Fig.6 Heave potential damping coefficients of the 3 m diameter buoy

圖7 10 m浮標(biāo)垂蕩波浪力幅值Fig.7 Heave wave exciting force amplitude of the 10 m diameter buoy

圖8 3 m浮標(biāo)垂蕩波浪力幅值Fig.8 Heave wave exciting force amplitudeofthe3m diameter buoy

圖9 3 m浮標(biāo)垂蕩-縱蕩耦合自由度附加質(zhì)量Fig.9 Coupled heave-surge added mass of the 3 m diameter buoy

圖10 3 m浮標(biāo)垂蕩-縱蕩耦合自由度勢(shì)流阻尼系數(shù)Fig.10 Coupled heave-surge potential damping coefficients of the 3 m diameter buoy

由圖3～8可知，在常見(jiàn)波浪周期范圍內(nèi)，垂蕩自由度的附加質(zhì)量和垂蕩波浪力隨著入射波浪周期的增大而增大，而垂蕩勢(shì)流阻尼系數(shù)則隨著周期的增大逐漸減小，10 m浮標(biāo)和3 m浮標(biāo)具有相同的變化趨勢(shì)。相同波浪入射頻率下，10 m浮標(biāo)的附加質(zhì)量、勢(shì)流阻尼系數(shù)和波浪力計(jì)算值比3 m浮標(biāo)大很多。

由圖9～10可知，對(duì)稱圓盤(pán)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的垂蕩-縱蕩耦合自由度的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)均近似為零，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[13]的論述一致。所以，浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可由單自由度垂蕩運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算求解。

2.3 錨系垂向彈性系數(shù)

浮標(biāo)采用全錨鏈單點(diǎn)懸鏈線式系泊方式。浮標(biāo)所處水深為15 m，由于水深較淺，在研究中忽略錨系慣性與阻尼對(duì)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響，重點(diǎn)考慮錨系垂向張力對(duì)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響。浮標(biāo)系鏈點(diǎn)處的錨系豎向張力可分成靜常部分和時(shí)變部分，靜常張力值取決于浮標(biāo)的靜平衡位置、錨系配置及水深等參數(shù)，可由懸鏈線理論計(jì)算求解。本文研究中，錨鏈張力靜常部分影響浮標(biāo)垂蕩響應(yīng)的平均值，它對(duì)浮標(biāo)水下形狀的改變影響很小，對(duì)浮標(biāo)頻域水動(dòng)力參數(shù)的影響可以忽略；錨系張力時(shí)變部分取決于浮標(biāo)瞬時(shí)垂蕩位移，可由錨鏈的垂向彈性剛度系數(shù)描述，它影響浮標(biāo)在波浪作用下的垂蕩響應(yīng)幅值。表3是水深15 m時(shí)，10 m浮標(biāo)和3 m浮標(biāo)的錨鏈特性參數(shù)。

表3 浮標(biāo)錨鏈特性

2.4 浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

基于浮標(biāo)水動(dòng)力參數(shù)以及錨鏈垂向彈性系數(shù)計(jì)算結(jié)果，求解自由浮標(biāo)以及系泊浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)方程，獲得不同入射波浪周期范圍的浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO。圖11是10 m與3 m浮標(biāo)在自由狀態(tài)下的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，圖12是10 m浮標(biāo)在自由狀態(tài)以及系泊狀態(tài)下的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，圖13是3 m浮標(biāo)在自由狀態(tài)以及系泊狀態(tài)下的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子。

圖11 10 m和3 m浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子 Fig.11 Heave RAO of the 10 m diameter and 3m diameter buoys

圖12 10 m浮標(biāo)垂蕩響應(yīng)幅值算子 Fig.12 Heave RAO of the 10m diameter buoy

圖13 3 m浮標(biāo)垂蕩響應(yīng)幅值算子Fig.13Heave RAO of the 3 m diameter buoy

由圖11可知，自由浮標(biāo)的垂蕩響應(yīng)隨著入射波浪周期的增大而增大，并逐漸趨向于1。10 m浮標(biāo)在入射波浪周期為9 s時(shí)，垂蕩響應(yīng)幅值算子近似等于1，即浮標(biāo)垂蕩幅值等于入射波浪幅值；而3 m浮標(biāo)在垂蕩幅值等于波浪幅值時(shí)對(duì)應(yīng)的起始波浪周期為6 s，說(shuō)明3 m浮標(biāo)的隨波性能要優(yōu)于10 m浮標(biāo)。究其原因，在低周期波浪作用范圍內(nèi)，10 m浮標(biāo)的附加質(zhì)量和勢(shì)流阻尼系數(shù)較3 m浮標(biāo)增加的倍數(shù)要大于垂蕩激勵(lì)力增加的倍數(shù)，因此根據(jù)頻域運(yùn)動(dòng)方程，同周期波浪作用下，10 m的垂蕩響應(yīng)幅值要小于3 m浮標(biāo)。同時(shí)從垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子曲線上可知，浮標(biāo)在其垂蕩固有周期附近范圍內(nèi)并未發(fā)生共振，這是由于浮標(biāo)在該波浪周期附近的勢(shì)流阻尼系數(shù)較大，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

由圖12和圖13可知，錨系對(duì)10 m浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)沒(méi)有明顯影響，而3 m浮標(biāo)在考慮錨系作用前后，雖然運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)沒(méi)有變化，但是垂蕩響應(yīng)幅值變小，這說(shuō)明錨系對(duì)3 m浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)影響要更為明顯。

3 結(jié)論

本文在頻域范圍內(nèi)研究了直徑10 m和3 m浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征，基于勢(shì)流理論求解浮標(biāo)的水動(dòng)力參數(shù)，建立并求解單自由度垂蕩運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算了自由浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)；考慮系泊錨鏈垂向彈性系數(shù)的影響，探討了系泊浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能，并與自由浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析比較，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的海洋資料浮標(biāo)，其他自由度的運(yùn)動(dòng)對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)沒(méi)有耦合影響，單自由度垂蕩分析模型即可準(zhǔn)確描述浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

(2)浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著入射波浪周期的增大而增大，在常見(jiàn)波浪周期范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)生共振現(xiàn)象。這是由于浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)周期較小，而勢(shì)流阻尼在低周期時(shí)很大，從而避免了共振的出現(xiàn)。

(3)3 m浮標(biāo)較10 m浮標(biāo)具有更好的隨波性。3 m浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子小于1時(shí)對(duì)應(yīng)的入射波浪周期范圍為2～6 s，而10 m浮標(biāo)所對(duì)應(yīng)的入射波浪周期范圍為2～9 s，在上述入射波浪周期范圍內(nèi)需要進(jìn)行波浪傳感器的參數(shù)修正。

(4)10 m浮標(biāo)的錨系對(duì)浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)沒(méi)有明顯影響，可以不予考慮；而3 m浮標(biāo)錨系使得浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值減小，在計(jì)算中錨系的影響需要計(jì)入考慮。

本文在頻域研究了淺水系泊浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算方法快捷高效，能夠滿足工程應(yīng)用需求。但是，在研究中忽略了錨系的慣性力和阻尼力，因此本文的研究方法僅適用于近海資料浮標(biāo)，對(duì)于深海資料浮標(biāo)垂蕩運(yùn)動(dòng)特性分析，則需要考慮錨系與浮標(biāo)之間的耦合影響，以確定準(zhǔn)確的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨系受力。

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Heave motion performance of ocean data buoy in frequency domain

WANG Hua-jie1, SUN Jin-wei1,2*, SHAO Meng2, FAN Xiu-tao1

(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrum entation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engi neering, School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

∶ As an important design parameter of ocean data buoy, wave following characteristic affects the accuracy of wave measurement. We calculate wave excitation force and such hydrodynamic coefficients as added mass and wave damping coefficient of disc buoy with three- dimensional potential flow theory, and heave motion of free floating buoy based on single degree of freedom motion equation. We also address heave motion of two moored buoys integrated with the impact of mooring vertical spring constant on buoy heave motion. We discover that the buoy with three-meter diameter has better wave following performance than that with ten-meter diameter and that anchor chain has more significant impact on heave amplitude of three-meter diameter buoy than that of ten-meter diameter buoy. The result is very important for parameter correction of wave sensors.

∶ocean data buoy; heave motion response; spring constant; frequency domain

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.001

2016-07-19

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015PE019)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(201513056)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305028-3)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2013DL007)；青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(14-2-4-66-jch)

王華潔(1976—)，女，研究方向?yàn)楹Ｑ髢x器。Email:qdwanghj@sina.com

*通信作者，孫金偉，助理研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ蟾∈浇Y(jié)構(gòu)水動(dòng)力學(xué)及新能源利用技術(shù)。E-mail:chbhy03@163.com

TU311.3

A

1002-4026(2016)06-001-08