張新昊， 竇培林

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

魚類是優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)獲取來源，隨著人們生活水平的提高，對于高質(zhì)量水產(chǎn)品的購買力也在日益增長。近海傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖作為我國目前主要的養(yǎng)殖手段，養(yǎng)殖容量正趨于飽和并對近海海洋環(huán)境造成破壞。深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積增幅已超過傳統(tǒng)網(wǎng)箱[1]。隨著挪威Ocean Farm 1和Havfarm等為代表的新型深海養(yǎng)殖裝備在我國建成交付，我國已必備建造新型深海養(yǎng)殖裝備的經(jīng)驗和能力。

由于深海養(yǎng)殖海洋環(huán)境復(fù)雜，養(yǎng)殖停留周期長，裝備穩(wěn)定性與養(yǎng)殖成活率有著不可分割的關(guān)系，因此深海養(yǎng)殖裝備的水動力性能和系泊系統(tǒng)的定位能力一直是研究的熱點之一。目前世界上的圓形養(yǎng)殖裝備主要采用多點系泊方式，船型養(yǎng)殖裝備則大多采用單點系泊方式。宋偉華等[2]采用4種網(wǎng)箱系泊方法，設(shè)計單點系泊網(wǎng)衣構(gòu)件的水槽波浪試驗，表明在波浪條件下采用單點系泊構(gòu)件的水動力有較大增加。HUANG等[3]使用數(shù)值模擬和現(xiàn)場研究的方法，在單點系泊網(wǎng)箱系統(tǒng)上設(shè)置傳感器以研究其動態(tài)響應(yīng)，并在之后的研究[4]中增加剛性框架，結(jié)果表明，剛性框架可顯著改善單點系泊網(wǎng)箱的體積變形，但會使系泊錨繩張力略微增大。SHAINEE等[5]采用數(shù)值模擬和模型試驗的方法研究隨機波情況下自潛式單點系泊網(wǎng)箱的潛水特性。CIFUENTES等[6]研究單點系泊養(yǎng)殖網(wǎng)箱在不規(guī)則波和剪切流下的動態(tài)響應(yīng)，總結(jié)網(wǎng)箱密度和網(wǎng)箱垂向位置對整體系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響。ZHAO等[7]對圓形半潛式深海養(yǎng)殖漁場的系泊錨鏈張力和漁場的運動響應(yīng)進(jìn)行模型試驗。LI等[8]對船型養(yǎng)殖漁場的系泊系統(tǒng)進(jìn)行時域耦合分析，并比較柔性和剛性網(wǎng)箱模型在穩(wěn)定海流下的運動響應(yīng)。H?ILAND[9]對挪威養(yǎng)殖工船Havfarm的水動力性能和均布散射系泊進(jìn)行數(shù)值模擬計算。HUANG等[10]對近海半潛式養(yǎng)殖漁場進(jìn)行水池模型試驗，研究養(yǎng)殖漁場單點系泊系統(tǒng)的系泊性能。

1 系泊方案概述

1.1 系泊方案選擇

所研究的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖工船的系泊系統(tǒng)為單點系泊方式，即錨泊系統(tǒng)與船體只有一個接觸點。單點系泊系統(tǒng)允許浮體繞著某個基點產(chǎn)生風(fēng)標(biāo)效應(yīng)而旋轉(zhuǎn)，使得船首始終指向外載荷合力最小的方向，減小系統(tǒng)所需要的總系泊力[11]。另外風(fēng)標(biāo)效應(yīng)也可使魚類養(yǎng)殖廢棄物的海底沉積大幅減少，基本上可消除養(yǎng)殖密集給底棲動物帶來的影響[12]，這也是目前近海養(yǎng)殖遇到的主要問題。常用的單點系泊方式有轉(zhuǎn)塔式系泊、浮筒式系泊、塔式系泊，其中轉(zhuǎn)塔式系泊又可分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式和外轉(zhuǎn)塔式。考慮到與常見的采用單點系泊的浮式生產(chǎn)儲卸油裝置相比，網(wǎng)箱養(yǎng)殖工船結(jié)構(gòu)相對簡單，使用外轉(zhuǎn)塔式系泊足以滿足使用需求，并且由于網(wǎng)箱的存在，若采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)將對網(wǎng)箱的容積造成較大影響。

系泊系統(tǒng)根據(jù)系泊纜線的形狀又可分為懸鏈線系泊和張緊式系泊，對于養(yǎng)殖網(wǎng)箱工船而言，網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)大部分位于水下，采用張緊式系泊系統(tǒng)會增加系泊纜線與網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)碰撞的風(fēng)險，且系泊纜線與網(wǎng)衣接觸可能會使網(wǎng)衣磨損，降低網(wǎng)衣使用壽命，因此采用懸鏈線系泊更為適宜。懸鏈線式系泊系統(tǒng)抵抗平臺所受環(huán)境載荷的回復(fù)力來自系泊纜的垂向重力，波頻運動的影響和流體載荷的作用使系泊纜產(chǎn)生較大的幾何變形并且導(dǎo)致橫向拖曳力, 從而使該系泊系統(tǒng)具有顯著的動力效應(yīng)[13]。圖1為采用懸鏈線系泊的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖工船。

圖1 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖工船懸鏈線系泊示例

綜合上述原因，針對深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖工船用系泊系統(tǒng)，設(shè)計2種單點系泊方案，均采用懸鏈線外轉(zhuǎn)塔式系泊，根據(jù)系泊纜線的空間布置不同，系泊方案分為組式系泊和均布散射系泊。

1.2 系泊纜線布置

組式系泊由6根相同的系泊錨鏈組成，按2×3分組布置，每組系泊錨鏈之間夾角相同，均為120°，每組2根系泊錨鏈之間的夾角為15°。均布散射系泊方案采用6根相同的系泊錨鏈組成，每根系泊錨鏈之間夾角相同，均為60°。圖2為深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱工船2種系泊方案。

圖2 系泊方案示例

1.3 系泊纜材料

目前常用的系泊纜材料有錨鏈、鋼纜和合成材料。錨鏈主要靠自身重量使系泊線達(dá)到懸鏈線狀態(tài)，可分為有橫檔錨鏈和無橫檔錨鏈兩種。海洋工程中常用的錨鏈等級有：石油平臺級鏈環(huán)(Oil Rig Quality，ORQ)、Grade R3、Grade R4、Grade R5等。

所研究的2種系泊方案均采用單一錨鏈進(jìn)行時域計算分析，系泊纜線采用ORQ有橫檔錨鏈，長度為700 m，直徑為114 mm，在實際設(shè)計時需以廠家提供的信息為準(zhǔn)，在沒有這些信息的情況下，可通過挪威船級社(DNV)提供的相關(guān)公式進(jìn)行初步計算(見表1)，計算得斷裂強度為9 564.64 kN。

表1 系泊纜線材料特性計算

2 時域耦合分析

2.1 養(yǎng)殖工船水動力模型

由于養(yǎng)殖工船包含細(xì)長桿件，因此必須考慮黏性影響，在SESAM中采用復(fù)合模型對養(yǎng)殖工船進(jìn)行建模，復(fù)合模型包含Panel模型和Morison模型，使水動力模型能同時考慮勢流理論和Morsion公式。圖3為養(yǎng)殖工船水動力模型。

圖3 養(yǎng)殖工船水動力模型

對Morison方程而言，比較重要和難以確定的是拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM，這2個參數(shù)的選取對波浪力的數(shù)值影響較大。影響CD的因素有物體的截面形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)和物體上海洋生物的附著程度等；對于CM而言，除通過試驗外，也可從理論上求得。對于所涉及的圓柱桿件，采用DNV規(guī)范中對CD、CM最小值的規(guī)定，如表2所示。表2中，K和Kl的計算式為

(1)

(2)

式中：D2為圓柱直徑；l為圓柱長度。

表2 DNV規(guī)范中的CD和CM

CD和CM分別取0.7和2.0。水深取120 m，對2種系泊方案進(jìn)行時域耦合分析。

對比分析所使用的環(huán)境載荷參數(shù)參考H?ILAND等[9]關(guān)于Havfarm系泊分析的環(huán)境參數(shù)設(shè)置，對8種工況進(jìn)行計算分析，風(fēng)浪流方向一致，除迎浪180°浪向角外，對于組式系泊的2組系泊纜線的夾角和均布散射系泊的2根系泊纜線的夾角浪向也進(jìn)行計算，即120°和150°。計算風(fēng)譜選擇NPD譜，平均風(fēng)速為41.13 m/h，水面流速為1.5 m/s，波浪譜選擇JONSWAP譜，各計算工況的波浪載荷設(shè)置如表3所示。

表3 計算工況波浪載荷設(shè)置

2.2 浮體運動響應(yīng)對比分析

平臺在水平面內(nèi)的振擺運動，即縱蕩、橫蕩、艏搖等3個自由度響應(yīng)是決定其系泊性能的重要參數(shù)，表4和表5分別為180°和120°/150°浪向角下浮體運動響應(yīng)數(shù)值統(tǒng)計。

表4 180°入射角下浮體運動響應(yīng)統(tǒng)計

表5 120°/150°入射角下浮體運動響應(yīng)統(tǒng)計

由表4可知，在180°入射角下，組式系泊方案的縱蕩響應(yīng)、橫蕩響應(yīng)小于均布散射系泊方案，艏搖響應(yīng)大于均布散射系泊方案，但兩者艏搖響應(yīng)平方差相差較小，因此前者的運動響應(yīng)變化更加穩(wěn)定。這是因為組式系泊在應(yīng)對180°入射角海況時有更多的系泊纜線集中在入射角上以對抗環(huán)境載荷，而均布散射系泊的系泊纜線分布均勻，造成該入射角上的運動響應(yīng)較大。

由表5可知，在120°/150°入射角下，組式系泊方案在縱蕩響應(yīng)上大于均布散射系泊方案，橫蕩和艏搖響應(yīng)則偏小。這是因為組式系泊在應(yīng)對120°入射角海況時系泊纜與入射角夾角為52.5°，大于均布散射系泊應(yīng)對150°入射角海況時系泊纜與入射角的夾角(30°)，在入射角上對抗環(huán)境載荷的系泊纜相對集中。對比180°入射角的浮體運動響應(yīng)可知，入射角的變化引起的運動響應(yīng)變化主要反應(yīng)在縱蕩和橫蕩自由度上，對艏搖的影響較小。

2.3 系泊纜張力對比

系泊纜張力的大小直接影響整個系泊系統(tǒng)的安全和可靠性，在對比分析中，重點比較入射波方向靠前的系泊纜張力大小和時間歷程變化，包括：在180°入射角計算工況下，組式系泊中的1號和2號系泊纜；均布散射系泊中的1號系泊纜；在120°/150°入射角計算工況下，組式系泊中的1號和6號系泊纜；在均布散射系泊中的1號和6號系泊纜。進(jìn)行3 h時域模擬，計算系泊纜張力并統(tǒng)計各系泊纜張力的最大值、最小值和平方差。由于數(shù)據(jù)結(jié)果過多，僅給出2a、2b、5a和5b等4個計算工況下的張力統(tǒng)計表和時間歷程曲線。

4種工況按入射角進(jìn)行分類統(tǒng)計，表6為180°入射角工況下的系泊纜線張力統(tǒng)計表。由表6可知，在180°入射角下，組式系泊所受的系泊纜張力整體小于均布散射系泊，系泊纜的張力變化也更穩(wěn)定。

表6 計算工況2a和5a系泊纜張力統(tǒng)計 kN

在180°入射角上，均布散射系泊靠前的系泊纜只有1根，因此將采用組式系泊的2根系泊纜與采用均布散射系泊的1根系泊纜分別進(jìn)行對比(見圖4和圖5)，可看出在環(huán)境載荷較低的海況下，組式系泊更有優(yōu)勢，隨著環(huán)境載荷的提升，兩者差距逐漸變小，但組式系泊仍存在優(yōu)勢。

圖4 計算工況2a系泊張力時歷曲線

圖5 計算工況5a系泊張力時歷曲線

表7為120°/150°入射角工況下的系泊纜張力統(tǒng)計表。

表7 計算工況2b和5b系泊纜張力統(tǒng)計 kN

表7結(jié)果與表6結(jié)果類似，組式系泊所受的系泊纜張力在整體上小于均布散射系泊，與180°入射角相比，入射角上靠前的系泊纜張力減小。

圖6和圖7分別為計算工況2b和5b的系泊張力時歷對比曲線，以空間位置為參考對2個方案的系泊纜分別進(jìn)行比較。對比180°入射角的時歷曲線可知：工況2b與工況2a的時歷曲線類似，但振幅范圍有所下移；將工況5b的曲線與工況5a相比可知，2種系泊方案的差距進(jìn)一步減小，組式系泊系統(tǒng)仍有微小優(yōu)勢。

圖6 計算工況2b系泊張力時歷曲線

圖7 計算工況5b系泊張力時歷曲線

3 結(jié) 論

研究深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱工船的2種單點系泊方案，分析不同系泊纜線布置方案對浮體運動響應(yīng)和系泊纜張力的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 考慮到對于海洋環(huán)境的影響和網(wǎng)箱的存在，深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱工船更宜采用單點系泊系統(tǒng)和懸鏈線系泊。

(2) 在運動響應(yīng)方面，2種系泊方式均滿足深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺的要求。入射角方向?qū)v蕩和橫蕩的影響較大，但組式系泊在整體上較優(yōu)于均布散射系泊，在實際使用中可根據(jù)海況布置系泊纜位置，以獲得更好的定位性能。

(3) 在系泊纜線張力對比分析中，組式系泊下系泊纜張力小于均布散射系泊下的系泊纜張力，隨著環(huán)境載荷的提升，兩者差距逐漸變小，由于深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺需進(jìn)行長時間的運營作業(yè)，因此采用組式系泊方案更有利。

(4) 組式系泊和均布散射系泊兩種方案在整體成本、系泊安裝布置的難易和后期運營作業(yè)上并無較大差異，因此深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱工船更宜采用組式系泊方案。