基于三维势流理论的深远海养殖工船耐波性能分析

韩 冰，谌志新,，崔铭超，王庆伟，王一帆，高 瑞

(1 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237； 2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

随着人民生活水平的日益提高，对高品质水产品的需求量越来越大，但是近年来中国近海渔业资源日益枯竭，海洋捕捞产量逐年减少，海水养殖成为水产品的主要供应渠道。随着近海养殖过度发展的同时，近海环境急剧恶化，严重影响了近海养殖产品的品质。为了解决这些问题，国内外水产养殖行业开始将目光投向水质更加优良、水温更加适宜的深远海，积极探索深远海养殖技术，大型深远海养殖工船应运而生[1-4]。

深远海养殖工船是典型的具有自航能力、长期系泊在固定海域进行养殖作业的工程船舶，作为一种全新的舱养式海上渔业养殖设施，耐波性能的优劣至关重要。一方面，船舶摇摆直接影响鱼类的生长速度，甚至关系鱼类生命安全，另一方面，由于养殖工船布置有大量养殖水舱，船体液舱晃荡问题非常严重，因此对养殖工船耐波性能的研究尤为重要。目前，养殖工船耐波性能方面的研究多集中于开放网箱式养殖平台研究方面。苗玉基等[5]对开放网箱式养殖平台水动力特性时域分析进行了研究，系统阐述了该类平台时域分析方法。韩鑫等[6]对开放网箱式养殖平台水动力特性模型试验进行了研究，依托模型试验研究了不同工况下平台的水动力特性。在封闭舱养式养殖工船研究方面，崔铭超等[7]系统地研究了封闭舱养式养殖工船的构建与总体技术，从安全性、经济性等方面构建了养殖工船系统和总体技术框架，但并未深入讨论耐波性能对安全性的深刻影响。肖凯隆等[8]研究了封闭舱养式养殖工船液舱晃荡与船体运动的耦合，但集中于液舱晃荡问题，对船体运动并未展开深入研究。目前，针对封闭舱养式养殖工船耐波性能方面的研究还处于起步阶段，对于养殖工船耐波性能分析方法及评价体系的研究具有重要意义。

以养殖工船实际设计项目为依托，基于三维势流理论，采用数值模拟方法，分别对养殖工船自航工况及系泊作业工况下的耐波性能进行研究，估算船体的横摇和纵摇运动响应。同时对频域和时域的仿真分析结果进行分析总结，继而以人员安全、设备安全以及养殖安全为指标，对养殖工船耐波性能进行评价，根据评价结果给出合理建议，为此类工程项目提供参考。

1 理论概述

根据势流理论，船舶在波浪中的频域运动方程可表示为：

(1)

式中：M为船体的质量矩阵；A和B分别为船体的附加质量和辐射阻尼矩阵；C为船体静水回复力矩阵；Fwj为一阶波浪激励力。

综合考虑风、波浪和流环境条件的激励载荷，以及系泊回复力，得到船舶在波浪中的时域运动方程为：

(2)

式中：A(∞)为波浪频率为无穷大时船体的附加质量；K(t)为时延函数；τ为延时；Fw(t)、Fwd(t)、Fc(t)、Fm(t)依次为波浪载荷、风载荷、流载荷和系泊力。

目前，求解二阶波浪力的方法主要有3种：基于物面表面积分的近场法，基于动量和能量守恒的远场法，以及在上述两种方法的基础上衍生出的中场法。本研究采用近场法来计算二阶波浪力[9]。

选用模块法对船体风载荷进行计算，即将水面以上部分分解为多个标准构件，然后将各构件的风载荷叠加得到总的载荷。构件i承受的风载荷计算公式为：

(3)

(4)

总的风载荷矩为：

(5)

选用模块法计算流载荷，水下部分受到的流载荷计算公式为：

(6)

式中：ρw为海水密度，t/m3；Cd为拖曳力系数；Ac(α)为流向α时船体的迎流面积，m2；Vc为设计流速，m/s。

流载荷矩[10]为：

Mc=Fcyx+Fcxy

(7)

式中：Fcx为船体受到的纵向流载荷，kN；Fcy为船体受到的横向流载荷，kN；x为船体的横向流载荷距离参考点的力臂，m；y为船体的纵向流载荷距离参考点的力臂，m。

2 计算条件

2.1 养殖工船基本状况

本研究以某养殖工船实际设计项目为研究对象，主要参数如表1所示。该船设计作业海域为渤海，船体为双底、双壳、纵骨架式钢制全焊接船舶，采用电力推进方式，全船左右对称布置有16个养殖水舱，可以提供8万m3养殖水体，同时配备有自动化养殖系统、物流加工系统及综合管理系统等，可实现全自动化鱼类产品养殖、加工及转运，船体示意图如图1所示。

图1 养殖工船示意图

2.2 装载工况

养殖工船的装载工况复杂，具体可分为两大类：一类是自航工况，另一类是系泊作业工况。根据NAPA软件配载结果，自航工况配载(图2)和系泊作业工况配载(图3)两种典型工况下船体主要参数见表2。

图2 自航工况配载结果

图3 系泊作业工况配载结果

表2 两种典型工况下船体主要参数

2.3 环境条件

根据GJB4000—2000《舰船通用规范》[11]对不同等级海况的规定，同时考虑风、波浪和流发生的联合分布，可得各海况条件下对应的风浪数据如表3所示[12-13]，通过对养殖工船作业海域风浪统计数据及工船实际作业需求的分析，确定在自航工况及系泊作业工况下，养殖工船设计作业的极限海况为6级海况。

船体运动性能受风浪流方向组合影响巨大，船体运动的最大值可能出现在：风浪流同向；风浪同向，且与流呈90°夹角；风浪同向，且无流；风流同向，且与浪呈30°夹角；浪与风、流分别呈30°、45°夹角；浪与风、流分别呈30°、90°夹角[14]。确定风浪流方向组合如表4所示。

表3 不同等级海况参数

表4 风浪流方向组合

3 计算结果

3.1 频域结果

图4 船体有限元模型

对养殖工船自航工况及系泊作业工况下的船体进行频域计算，得到在浪向角分别为180°、150°、120°、90°下船体重心处的横摇和纵摇RAO分别如图5～图8所示。

图5 浪向角为180°时的RAO

图6 浪向角为150°时的RAO

图7 浪向角为120°时的RAO

图8 浪向角为90°时的RAO

分析图5～图8可知，在自航工况及系泊作业工况下，船体横摇和纵摇RAO曲线趋势一致，但由于两种状态对应参数不同，导致在曲线峰值大小和峰值频率上略有差异。

3.2 时域结果

在自航工况及系泊作业工况下，养殖工船时域计算模型分别如图9和图10所示。由图10可知，船体由一根位于艏部的系泊缆定位于海底，此时船体具有“风向标效应”，即船体艏向时刻处于风、波浪和流环境载荷的最小组合方向上，尽管如此，在实际设计过程中，仍以船体可能出现的最大的运动响应为设计依据，这是由于船体在受到外界复杂环境影响时，需要一个过程才能达到“风向标效应”所呈现的运动态势，这个过程虽然短暂但仍不可以忽略，否则将对船舶安全造成影响[19]。

由计算得，在不同等级海况条件下的船体横摇和纵摇运动响应幅值分别如表5和表6所示，需要说明的是，其中0.00表示数值很小，实际值不为0。

图9 自航工况时域计算模型

图10 系泊作业工况时域计算模型

表5 自航工况下船体运动响应幅值

表6 系泊作业工况下船体运动响应幅值

对比不同海况等级下，自航工况及系泊作业工况对应的船体运动响应幅值，如图11所示。由图11可知，随着海况等级的愈加恶劣，船体运动响应也随之增大；在两种状态下，船体运动响应幅值相差不大，与频域结果规律一致。

4 耐波性能评价

4.1 人员安全的要求

人员安全是指保障船上工作人员的舒适性及生命安全，人员安全对于船舶耐波性的要求一般使用船舶耐波性衡准来衡量。对于耐波性衡准，不同研究机构和专家学者提出了不同的建议，其中比较有代表性的建议包括《船舶设计实用手册(总体分册)》、北欧合作研究计划以及国际标准化组织(ISO)卫生与安全委员会(HSC)的船舶耐波性执行标准[20-21]，上述建议虽然数据上略有不同，但差别不大，通过分析总结得出人能承受的最大横摇角为10°，纵摇角为4.8°，超过这个界限则认为人无法正常活动；而人能正常工作的最大横摇角为8°，纵摇角为3°，超过这个界限则认为人无法正常工作。综上，考虑到养殖工船的运行要求，为保证人员安全，需满足在自航工况和系泊作业工况下，横摇角不超过8°，纵摇角不超过3°。

图11 不同海况等级下船体运动响应幅值对比

4.2 设备安全的要求

设备安全是指保障船载设备能够正常工作且不受损坏，养殖工船设备主要分为船舶设备及养殖设备两部分，其中船舶设备主要遵循《钢质海船入级规范》《海上浮式装置入级规范》等相关规范要求[22-23]；对于养殖设备，除满足上述规范的要求外，本研究根据所依托项目在前期进行的市场调研以及设备厂家座谈等方式，对养殖设备的摇摆限定值进行进一步约束，以保证养殖设备的正常工作，具体如表7所示。表7可以看出，为保证设备安全，需满足在自航工况和系泊作业工况下，横摇角不超过20°，纵摇角不超过7°。

表7 养殖工船设备摇摆限定值要求

4.3 养殖安全的要求

养殖安全是指保障船上养殖鱼类正常生长而不发生意外死亡，船舶摇摆对于鱼类生长的影响目前尚未出现权威的研究成果，有学者试验发现，摇摆可使鱼类肾上腺素、血清葡萄糖等指标异常升高，从而影响鱼类的健康[24]；也有学者认为，摇摆可以提高养殖水体内水的流速，鱼类长期处于较高的流速环境下，容易积累大量乳酸而感到疲劳，从而影响自身健康甚至威胁生命，而鱼类适应流速的上限与自身体长密切相关，具体可用如下经验公式表达[25]：

Vcr=2.3L0.8

(8)

式中：Vcr为鱼类最大适应流速，m/s；L为鱼体长，m。

本研究取鱼体长L=0.2 m，得到Vcr=0.63 m/s，通过对养殖工船进一步的数值模拟计算得到，在横摇角为8°，纵摇角为2.5°时，养殖水体内流速分布接近上述极限，因此，为保证养殖安全，需满足在自航工况和系泊作业工况下，横摇角不超过8°，纵摇角不超过2.5°。

4.4 养殖工船耐波性能总结

通过分析上述数据可得，为保证养殖工船的人员安全、设备安全以及养殖安全，需满足在自航工况和系泊作业工况下，船舶横摇≤8°，纵摇≤2.5°。总结上述计算结果，得到养殖工船耐波性能总结如表8所示。

表8可知，在1～5级海况下，养殖工船的耐波性能良好，可以较好地满足人员安全、设备安全以及养殖安全的要求，在6级海况下，船舶的摇摆角度超出限值，整船安全受到威胁，应考虑加装减摇装置。另一方面，如上文所述，由于该养殖工船的设计作业海域为渤海海域，通过查阅《西北太平洋波浪统计集(1961—1990)》[26]可知，渤海海域6级海况发生的概率仅为0.2%，发生概率非常低，加之养殖工船具有自航能力，在监测到极限海况即将来临时，具备迅速规避的能力，因此认为本船亦可通过运营管理来解决极端海况下的耐波性能需求问题，而不需要额外加装减摇装置。

表8 养殖工船耐波性能总结

5 结论

以养殖工船实际设计项目为依托，分别对工船典型工况下的耐波性能进行研究，通过频域和时域仿真分析，得到设计海况下的船舶摇摆幅值，继而分别从人员安全、设备安全和养殖安全的角度出发，对养殖工船耐波性能进行评价。该养殖工船在1～5级海况下横摇角度和纵摇角度均满足各项安全限值要求，而在6级海况下横摇角度和纵摇角度急剧增大，对整船安全构成了严重威胁，此时应考虑加装减摇装置。另一方面，考虑到6级海况在设计作业海域发生的概率极低，且加装减摇装置往往会带来设计上的困难及建造成本的提高，因此还需根据项目实际情况，统筹考虑建造及运营成本，优先通过运营管理等手段满足安全要求，避免盲目修改设计。通过系统地阐述实际养殖工船项目中耐波性能整体研究过程，初步构建了耐波性能分析方法及评价体系，为养殖工船项目耐波性能的设计及优化提供参考。