风浪流共同作用下的多浮体系泊性能试验研究

高 峰，李 焱，沈文君，耿宝磊，孟祥玮

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

随着近年来重视深海及海洋资源的开发，相应的船舶与海洋工程的一些大型装备设施不断地涌现，海上多浮体系泊结构也相继出现大量新构型，由于系泊多浮体中各个浮体之间的间距较小，从而使其周围水动力相互作用变得十分显著[1]。由于系泊系统对海上船舶间的定位和安全作业起着至关重要的作用，特别是对于多艘船舶海上过驳作业时，其船-船(ship to ship)之间的相互干扰会产生非常大的副作用，每个浮体对波浪的作用同时也会对其他浮体造成影响，某些局部波浪会发生放大或遮掩，浮体周围流体的运动变得十分复杂，影响整个多浮体系泊系统的稳定性，从而进一步影响整个系泊结构物的安全性。针对上述问题，往往需要对多浮体系泊系统进行试验研究，研究多浮体的水动力响应特性以及其在各浮体间的耦合作用，由此可对整个系泊系统的作业过程进行准确预测，从而为实际工程提供科学依据和指导建议。目前常见的多浮体系统主要有：FPSO(浮式生产储卸油平台)与穿梭游轮的原油外输系统、FLNG(浮式液化天然气生产装置与LNG(液化天然气船)的外输系统、海上平台安装系统、多个起重船联合起吊作业系统、海上超大型浮体以及钻井平台系统和海上多船间大型构件过驳系统等。其多浮体系泊方式大体上可分为串联作业、并联作业以及串并联组合形式。这些系统中，浮体间或船与船间的相对运动以及其间的缆绳、护舷和连接构件荷载是设计中考虑的重要指标。对于多浮体在波浪中的运动响应分析，国内外的专家学者均做过相关的研究。最早关于多浮体水动力的研究始于20世纪60年代，主要基于二维的切片理论，如Ohkusu[2]1969年开展的针对两个圆柱体的水动力计算。Chen 等[3]提出频时域混合法，已成功用于柔性连接多浮体系统的分析。邹志利等[4]给出了多点锚泊系统运动和受力的计算方法，建立高频运动中锚链-浮筒-船运动耦合模型;沈庆、陈徐均[5]在求解多浮体系统波浪中运动响应时，把铰接的多浮体系统作为铰接无根数系统。Lewandowski和Yu 等[6-7]运用线性势流理论研究多浮体的时域响应问题。

本文主要针对一种多船构成的海上过驳平台系统进行物理模型试验研究, 综合考查了各船体的水动力因素以及浮体间相互作用的机理。为进一步研究这一类过驳结构系统的动力性能和结构强度分析提供基础, 对工程中多浮体结构系统整体构型设计提供一定的参考依据。

1 系泊试验模拟条件

1.1 试验多浮体构型

多浮体是指由多个浮体组成的系统，与单浮体的概念相对，通常是针对多个浮体之间的距离较近，不能忽略其相互影响的情况。由于浮体间强烈的相互作用，与单浮体相比，多浮体的受力与运动更为复杂。实际生产生活中的多浮体实例很多，近年来在船舶与海洋工程领域兴起的典型多浮体结构与系统有：FLNG 装卸系统、海洋平台上层组块浮托安装中的双驳船系统、VLFS (超大型海上浮式结构物，Very Large Floating Structures)等[8-10]。本文所基于的试验研究对象为一种海上多浮体过驳系统，该系统主要包括：3.5万t级客货滚装船、滚装过驳平台、渡船、工作艇，如图1所示，主要用于3.5万t级客货滚装船向渡船等过驳物资，旨在探索一种新型海上无码头作业系统。该多浮体系泊系统为单点锚泊系统，通过客货滚装船的锚系实现整个多浮体系统的锚泊定位。系统中相邻浮体间均为系缆连接。

1-a 3.5万t级客滚船 1-b 滚装过驳平台 1-c 渡船 1-d 工作艇

图1 多浮体系泊系统构成
Fig.1 Composition of the mooring system for multi-body floating system

1.2 试验模型布置

试验在天科院海洋水动力综合试验厅进行，试验水池主尺度45 m×40 m×1.2 m，水池配置L型造波机、可逆泵式循环造流系统和矩阵风机组，模型整体布置如图2所示。

图2 多浮体系泊模型的两种布置图(船艏顶流与顺流) Fig.2 Two kinds of layout of multi-body floating mooring system (upstream and downstream)

根据几何相似的要求，模型比尺为 1:50，并按照驳船型线图采用木质材料制作各型船舶的模型。其依据的相似判据有：傅汝德数(Froude Number)、斯托哈数(Strouhal Number)等，以实现模型与实体两个系统应该满足几何相似、运动相似和动力相似这3个相似条件。船模的外形尺寸满足ITTC关于模型试验的精度要求，几何尺度误差不超过1 mm，船模表面敷盖玻璃钢纤维等水密材料对模型接缝处进行密封，以防止船体发生渗水现象，内部预留有一定空间以放置压载物，用于调节模型重量、重心位置以及惯量等参数，模型整体重量、重心位置、纵摇和横摇惯性半径误差均不超过3%，保证模型与实体的质量和质量分布相似。

1.3 缆绳与护舷

各船型之间，除了3.5万t级客滚船和过驳平台间采用直径60 mm的丙纶缆绳(破断力416 kN)、预张力2.0 t外，其他各船型间均为直径40 mm丙纶缆绳(破断力197 kN)、预张力1.0 t。同样，各船型之间的护舷除了客滚船和过驳平台间采用D400×400×1 500型(设计力564 kN)、其他各船型间均为D300×300×1 500型(设计反力441 kN)、预张力1.0 t。

1.4 试验方案

本次试验考虑了不同方向的风、浪、流动力因素，分别进行了多组次的模型试验。试验同步测量了各个系泊浮体平台的运动量、相对位移和撞击力以研究不同系泊及作业条件下的多浮体运动响应情况。

2 试验结果与分析

2.1 单船静水试验成果与分析

通过分析单船自由衰减曲线可以获得单驳船与水平系泊系统耦合的运动固有周期和线性阻尼系数，从而验证理论计算的结果。包括单个浮体模型的横摇、纵摇、垂荡衰减试验。3.5万t级客滚船、滚装过驳平台、渡船及工作艇的静水横摇、纵摇、升沉衰减试验结果如下所示，可见各浮体固有周期还是存在一定差异的，由此组合后的多浮体系统可以避免在作业与系泊中各浮体间发生共振。各浮体相应的横摇衰减曲线见图3。

图3 各船型静水试验横摇衰减曲线Fig.3 Roll decay curve for hydrostatic test for all kinds of ship type in test

其中：(1)3.5万t级客滚船相应的横摇周期、纵摇周期和横摇阻尼分别为12.5 s、8.2 s和0.06；(2)滚装过驳平台相应的横摇周期、纵摇周期和横摇阻尼分别为6.0 s、6.8 s和0.26；(3)渡船相应的横摇周期、纵摇周期和横摇阻尼分别为3.0 s、4.9 s和0.08；(4)工作艇相应的横摇周期、纵摇周期和横摇阻尼分别为3.8 s、4.7 s和0.05 。

2.2 风流作用下偏移预试验

对于海中的单点系泊的浮体往往会有“风向标”效应，即在风浪流作用下会绕锚泊点漂移，由于所应用的测力仪器带有信号线，为防止信号线对船舶运动量的不利影响，以预留出信号线的富裕长度，首先开展了风流作用下该多浮体过驳系统的漂移预试验，试验表明：

(1)顶流+顺风作用时，该多浮体过驳系统基本无漂移；顶流+横风(或斜风)作用时，浮体绕锚泊点产生漂移，顶流+横风时的漂移大于顶流+斜风，风速越大，漂移量越大；

(2)横风(10.0 m/s)+顶流时，浮体尾部漂移距约72.5 m(原体值)，绕锚点偏角约为14°，横风(17.1 m/s)+顶流时，浮体尾部漂移距约112.6 m(原体值)，绕锚点偏角约20°；斜风(10.0 m/s)+顶流时，浮体尾部漂移距约28.2 m(原体值)，绕锚点偏角约5°，斜风(17.0 m/s)+顶流时，浮体尾部漂移距约45.6 m(原体值)，绕锚点偏角约8。

在此基础上，当增加波浪动力后，浮体会产生进一步漂移，其漂移量与波浪条件有关，波高较小时，漂移量不大，增大波高，则漂移量增大，但当风浪流组合作用一段时间后，浮体的整体漂移量可基本维持稳定，此时开展数据采集与分析，可排除各动力组合条件还未均匀施加时的初始大值。

2.3 风浪流作用下试验

2.3.1 运动量

在试验中观察到在某些周期的波浪作用下，各相邻浮体船舶间均出现了非常明显的水体振荡。多浮体之间由于相距较近，相邻浮体之间存在着遮蔽效应以及波、流反射等作用的影响，因此其中某一个浮体所受到的动力响应与单浮体相比会有差异。当浮体之间间隙较小时，水动力响应在某一定波浪频率下会出现很大波动，形成水动力干扰现象，进而还会产生共振效应，导致运动量剧增。整个系统在风浪流共同作用下，各浮体间差异较为明显，客滚船与渡船、工作艇相比，由于其主尺度较大，因此客滚船抗风浪能力较强，在相同环境条件作用下，其运动量均比其他船舶要小。其中，在迎浪工况下，由于客滚船对滚装过驳平台、工作艇和渡船有一定的掩护作用，因此几个浮体的运动量数值要小于顺浪工况的结果。对于斜浪和横浪作用下，位于过驳平台迎浪侧的渡船或工作艇的六自由度运动量要大于背浪侧的浮体。

多浮体系泊系统在顺浪或斜浪作用下，各浮体的纵荡运动量普遍要大于横浪作用下的结果，而横浪作用下的横荡运动量和横摇运动量数值要明显大于顺浪或斜浪作用下的结果。其中，在风速10 m/s、斜浪波高1.5 m作用下的作业工况时，3.5万t级客滚船的纵荡瞬间最大值为1.19 m(对应有义值达到0.7 m)、横荡最大为2.54 m(有义值达为1.5 m)、横摇最大为2.73°(有义值为1.7°)。同时，过驳平台的纵荡最大为2.87 m(有义值达为1.7 m)、横荡最大为5.36 m(有义值达为3.2 m)、横摇最大为9.57°(有义值为6.1°)，其运动量均大于客滚船。另外，由于工作艇及渡船尺寸相对更小，抗浪性更加弱，试验中船体运动剧烈幅值更加明显，其中工作艇的纵荡瞬间最大值可达9.68 m(有义值为6.1 m)、横荡最大为22.88 m(有义值为13.1 m)、横摇最大为24.66°(有义值为14.9°)。渡船纵荡瞬间最大值可达9.12 m(有义值为5.1 m)、横荡最大为21.67 m(有义值为11.7 m)、横摇最大为23.26°(有义值为13.5°)。同时，由于渡船以及工作艇的干舷较低，波高大于1.0 m后的所有工况均出现明显的甲板上浪情况、且淹没范围较大。当风速增至17 m/s、斜浪波高为2.5 m下的生存条件时，只有客滚船与过驳平台连接。此时，客滚船纵荡对应有义值达到1.2 m、横荡有义值为2.16 m、横摇有义值为2.6°。过驳平台纵荡运动量的有义值为2.86 m，横荡运动量的有义值为4.01 m，横摇运动量的有义值为9.29°，也同样要大于客滚船。

另外，为了探明各浮体间的相对运动情况，还施测了各浮体间相对位移，以为浮体间系泊作业条件有更为直观的预测结果，表1为各浮体间在作业工况下的最大相对位移统计值。其中，采用旁靠系泊方式的过驳平台与工作艇之间相对位移最大，过驳平台与艉部连接的渡船相对位移最小、旁靠侧向系泊的渡船则略大一点。同样，此时也进行了风浪条件更为恶劣的生存工况(风速增至17 m/s，波高Hs增至2.0 m)，此时渡船与工作艇均离泊，只有客滚船与过驳平台保持系泊链接，其横向相对位移最大值达到3.4 m、纵向最大值达3.0 m、垂向最大值超过8.0 m。

表1 作业工况下各个浮体之间最大相对位移统计值Tab.1 Statistic results for the maximum relative displacement between different floating body under the operation condition m

2.3.2 系缆力

由于多浮体系统中各船型尺度差异，其相邻系泊受风浪流作用下的运动量差异较大，各浮体间差异较为明显，因此构成不同浮体的船型受力极不均匀。试验中，对于斜浪和横浪作用，当旁靠侧面的渡船或工作艇位于过驳平台的背浪侧时，受过驳平台的掩护影响，此时的系缆力要明显小于侧渡船或工作艇位于过驳平台的迎浪侧。试验中，客滚船与过驳平台采用Φ60 mm的丙纶缆系泊连接，当波高小于等于1.5 m时，最大缆力为397 kN，小于缆绳的破断力；当波高增大为2.0 m和2.5 m时，最大缆力分别为550 kN和704 kN，均大于缆绳的破断力；过驳平台与渡船采用直径40 mm的丙纶缆，顺浪作业波高1.5 m条件下，最大系缆力为127kN，小于缆绳的破断力，斜浪和横浪作用下，当波高达到1.5 m时，最大系缆力分别为202 kN和304 kN，大于缆绳的破断力。过驳平台与渡船间采用Φ40 mm丙纶缆连接，顺浪和斜浪作业波高条件下，最大系缆力分别为191 kN和183 kN，小于缆绳的破断力，横浪作用下，当波高达到1.5 m时，最大系缆力为239 kN，大于缆绳的破断力。过驳平台与工作艇间也采用直径40 mm丙纶缆，3个浪向波高小于等于1.0 m条件下，最大系缆力为195 kN，小于缆绳的破断力，三个浪向(顺浪、斜浪和横浪)波高为1.5 m时，最大系缆力分别为243 kN、244 kN和355 kN，均大于缆绳的破断力。同时，整体系统中最大船型3.5万t级客滚船采用Φ60 mm锚链单点系泊于海中，波高小于等于1.5 m条件下，最大锚链力为2 398 kN，小于锚链的破断力，当波高为2.0 m时，斜向浪与顺浪时最大锚链力为2 590 kN，仍小于锚链的破断力，但在横浪波高2.0 m作用下的最大锚链力大于锚链的破断力；当波高加大至2.5 m时，最大锚链力将大于锚链的破断力，最大单点锚链力达到3 196 kN。表2为各浮体间系缆力最大统计结果。

表2 作业条件下各浮体之间最大系缆力统计值

3 结语

多浮体系统的水动力响应是目前国内外海洋工程领域研究的一个热点问题，随着理论分析和模拟试验技术的日趋成熟与完善，多浮体的研究近年来也得到了快速发展。本次研究依托基于海上常见运输船舶组成的海上多浮体滚装过驳作业系统，开展了风浪流共同作用下的水动力特性物理模型试验研究。结果表明，整个系统将绕锚泊点漂移，并在达到一定平衡位置时随水动力条件呈现动态稳定状态，其漂移方向与强度与风浪流的矢量作用结果有关。多浮体之间由于相距较近，相邻浮体之间存在着遮蔽效应以及波、流反射等作用的影响，其所受到的动力响应与以往研究船系泊相比存在差异。当浮体间隙较小时，水动力响应易形成干扰现象，进而还会产生共振效应，导致运动量和受力剧增。同时，各浮体间由于尺度差异，抗风浪能力也差异较大，在相同环境条件作用下，尺寸相对较大的客滚船和过驳平台的运动量相对较小，仅在生存工况时缆力有超过破断力情况，而尺度较小的渡船与工作艇运动量较大，其系泊缆力也更易出现超过破断力的情况。在试验中某些浪向下，尺度相对较大的客滚船还可对其背浪侧的过驳平台、工作艇和渡船有一定的掩护作用，使得运动量数值要比迎浪一侧明显小些。在各浮体相对位移结果中，旁靠系泊的过驳平台与工作艇间相对位移最大，过驳平台与艉部连接的渡船相对位移最小、旁靠系泊的渡船则略大。

模型试验结果为该型多浮体作业系统的设计与应用提供了科学依据与技术积累，并为多浮体水动力问题的深入研究提供参考。在实际的多浮体系泊结构的装卸作业中，各船间连接方式将非常复杂，形式也是多种多样，而且还将根据实际海况有调整，今后对于更优化的连接方式以及更加细致的模拟都需要作进一步考虑，还有许多深入的工作值得开展。

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