小型海洋资料浮标稳定性对浮标作业的影响研究

丁圆强， 张小磊， 齐 亮， 姜 涛， 姚抒均， 郑 凯

（齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东省海洋环境监测技术重点实验室国家海洋监测设备工程技术研究中心， 山东 青岛 266001）

引言

海洋资料浮标是海洋水文气象资料监测的重要手段之一，而小型海洋资料浮标（3 m直径圆盘型）造价低、观测能力强、回收布放难度较低，为我国的重要海洋观测手段之一[1]。

浮标稳定性为浮标生存能力的重要指标，而3 m小型海洋资料浮标因直径小稳性最差，作业难度较高，作业人员只可进行较短时间的作业，安全性较差例如图1-1所示海况较好在位正常运行的3 m小型海洋资料浮标，在0～0.5 m的有效波高下，其横摇倾斜角度较小，适于进行海上维修作业。如图1-2所示的海况相对恶劣在位正常运行的3 m小型海洋资料浮标，在有效波高大于0.8 m的情况下，其横摇角度较大，不适于进行海上维修作业。

图1 不同海况条件下3 m浮标摇摆状态实物图

浮标的稳定性取决于其重心位置的设计、压载的大小以及惯性矩的设计值。本文以稳性较差的3 m小型海洋资料浮标为例，通过数值模拟的手段对不同海况（波高、周期为主要参数）下不同重心位置、不同惯性矩的浮标多自由度运动情况进行计算分析，利用计算结果优化原有浮标的设计参数，为海洋资料浮标的海上维护作业提供保障。

1 数值模拟试验验证

本文采用的数值模拟计算方法基于不可压缩流体的势流理论，且计算时浮体直径与入射波波高相比尺度较小，通过水工物理模型试验验证数值计算方法的可行性，进而进行后续优化计算[3]。

在拖曳水池中放入3 m浮标的水工物理模型，如图2所示，在综合考虑水深、波高、试验范围等条件后，本次试验缩尺比采用，λ=1∶4。

图2 3 m浮标水工物理模型试验

浮标的运动幅值响应算子RAO（ResponseAmplitude Operator）部分的试验环境条件是波高一定，波长0.5～6 m的规则波，在试验中测量的浮标的横摇角物理量。从而计算确定浮标的运动幅值响应算子。

试验时，在浮标上安装陀螺仪器并固定在适当位置。浮标两端在重心高度位置系上两根细绳，对浮标大尺度运动进行约束，但不会影响其自由运动的状态。待模型按规定的要求布置、且各测量仪器安装到位后，启动造波机产生所需的波浪，待波浪稳定后，正式开始进行各项数据的采集。

同时建立与水工物理模型试验比尺1∶1的数值模型，如下页图3所示，在相同实验环境条件下计算，通过频域响应函数计算浮标横摇响应曲线，将水工物理模型试验采集的数据与数值模型的计算结果进行比较。浮标的摇摆响应曲线拟合效果较好，在该数值模型的各项参数计算条件得到的数值符合浮标实际情况。

图3 水工物理模型浮标的三维数值模型及计算结果

2 数值计算模型及计算结果

在ANSYS-AQWA中建立3 m浮标和10 m浮标1∶1的数值计算模型，如图4所示，计算单点悬垂锚链系泊作用下浮标在不同波高周期作用下的运动响应情况[2]，通过分析不同重心位置、不同惯性矩的参数下3 m小型浮标的横摇角度，优化确定浮标海上维修作业的最适合重心和惯性矩[3]。

图4 3 m直径海洋资料浮标三维数值模型

计算结果如图5所示，图5-1，5-2为原重心，原惯性矩的在P1、P2、P3、P4工况下的计算结果，取运动较为稳定的一个周期内40个点次的横摇位移响应进行比较。可以看出周期越小其摇摆幅度越大，波高越大其摇摆幅度也越大，如表1所示。

在设计安全范围内将浮标重心下移，浮标惯性矩缩小后进行重新计算得到图5-3，5-4，同样取运动较为稳定的一个周期内40个点次的横摇位移响应进行比较，运动规律相同。

取浮标运动较为剧烈的P3工况（0.75 m波高、4 s周期），纵向比较浮标重心及惯性矩参数调整前后的浮标横摇运动情况，可以得知降低了重心，减小了浮标惯性矩在P3工况下整体摇摆角度减小了近1°，如图6所示。

继续降低浮标的重心并且减小浮标的惯性矩，根据计算结果可知，重心降低的同时减少了浮标运动的固有周期，导致在小周期的情况下，波周期的频率极易达到浮标的共振频率，使浮标运动情况加剧，且浮标安全性降低。因此在一个合理范围内调整浮标重心以及惯性矩可有效减少浮标的横摇运动角度，增强浮标的稳定性。

3 结语

图5 浮标单个周期内浮标横摇角度时域曲线

表1 浮标正常工作海况计算表

图6 P3工况下不同重心、惯性矩的浮标横摇角度时域曲线

本文通过数值模拟的手段直观计算了现有已达到产品化标准的3 m浮标在小波高，小周期下的横摇运动响应情况，结合实际海上维修情况，验证了在当前物理参数特性下浮标在0.5 m波高以上存在维修难度高的情况，进而通过调整浮标重心及惯性矩参数使浮标在0.75 m波高以下的横摇角度减少，并降低了3 m海洋资料浮标的海上维修难度，因此本文的计算结果可为后续布放在易损坏区域的浮标基础设计提供了参考思路。

参考文献

[1]王波，李民，刘世萱，等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报，2014，35（1）：2 401-2 414.

[2]赵环宇.1 kW级小型波浪能供电装置关键技术研究[D].青岛：中国海洋大学，2015.

[3]范海文.基于导管架平台的波能发电装置设计与优化[D].青岛：中国海洋大学，2014.