摘要：海洋的水文气象变化对于海洋资源开采和海事货物运输有着重要的影响，因此实时获得海洋气象的变化有着十分重要的意义。在深海领域，由于远离大陆，经常采用海洋气象浮标作为搜集海洋气象数据的平台，因此，有必要对海洋气象浮标进行水动力分析。鉴于此，结合不同海况条件下的环境参数及浮标不同结构参数，如海流速度、波浪方向、Spar浮标自身质量等条件，建立了某单点系泊浮标系统的水动力模型，通过模拟仿真得到了深海单点系泊方式气象浮标水动力响应特征，包括水上浮标与缆索动力特性、浮标的运动特征、系泊缆索的动力特性、锚地部分动力特性等，并对该系统进行了参数敏感性水动力分析。针对仿真中出现的一些现象进行了比较详细的分析与说明，并对气象浮标实际作业中可能出现的危险情况提出了一些相关措施，以减少或避免这种情况下的危险。

　　关键词：深海；单点系泊；参数敏感性；水动力

　　Abstract:The hydrological and meteorological changes in the ocean have a significant impact on the exploitation of marine resources and thetransportation of maritime goods.Therefore,obtaining real-time changes in ocean meteorology is of great significance.In the deep-sea field,ocean meteorological buoys are often used as platforms for collecting ocean meteorological data due to their distance from the mainland.Therefore,it is of great significance to conduct hydrodynamic analysis of marine meteorological buoys.A hydrodynamic model of a single point mooring buoy system is established by combining environmental parameters under different sea conditions and different structural parameters of the buoy,such as current velocity,wave direction,and the mass of the Spar buoy itself.Through simulation,the hydrodynamic response characteristics of meteorological buoys in deep-sea single point mooring are obtained,including the dynamic characteristics of water buoys and cables,the motion characteristics of buoys,and the dynamic characteristics of mooring cables.The dynamic characteristics of the anchorage are analyzed,and a parameter sensitivity hydrodynamic analysis is conducted on the system.Detailed analysis and explanation are conducted on some phenomena that appeared in the simulation.And some relevant measures have been proposed to reduce or avoid the dangerous situations that may occur in the actual operation of meteorological buoys.

　　Key words:deep-sea;single point mooring;parameter sensitivity;hydrodynamic

　　0引言

　　海洋中蕴含着丰富的资源，不仅包括非可再生的石油、天然气等能源，也包含大量的可再生资源，如波浪能、太阳辐射能等。随着陆地资源的逐渐枯竭，对海洋资源开发早已成为时代热点，近海浅海开发早已不能满足人类发展的需求，伴随着人类对深海资源的勘探，近年来海洋环境问题也逐年突出。深海气象浮标因其全天候、全天时稳定可靠获取深海海洋环境及资料的能力，对深海资源的开发和海洋环境保护极具意义，因而其应用越来越广泛。深海气象浮标工作环境相比一般海洋观测设施更加恶劣，为保证其工程作业顺利进行，对其进行水动力特性的研究具有重要的意义[1-2]。

　　海洋环境气候信息是海洋开发必须具备的条件，也是保护海洋环境所需要的重要参考资料。近几十年来，环境问题早已成为全球性的问题，很多人只知道陆地环境存在破坏，殊不知海洋环境问题当前十分严峻，对于海洋气象数据的把握，能够比较准确地把握当地海洋环境的变化，从而去合理改善海洋环境。在以上种种情况影响下，海洋气象浮标应运而生，它不仅仅只用于获取海洋表面的水文参数和洋面气象参数，也可以对某片海域的整个生态环境、海水的物理化学特性等进行一系列的监测，而这一点是常规的海岸观测站和海洋调查船不能实现的，因此海洋气象浮标的应用更加广泛[3-4]。

　　深海气象浮标因可以探测、观察更深更广阔的海洋环境，应用也越来越广泛。但深海气象浮标与一般的海洋浮标工作环境不一样，其面临的工作环境更加恶劣、复杂，因而其浮标系统受到的破坏会比一般海洋浮标更加严重。正因为浮标系统在工程作业过程中会受到各种外界载荷(风浪流等)及力矩的作用，对深海浮标工作环境把握不准确或者设计不够仔细，都会对浮标的工程作业的顺利进行极其不利，因而对浮标系统进行动力学响应的研究，保证浮标工程作业顺利进行，对能源开发安全性极具意义。一旦浮标系统受到破坏，就不能实现对海洋环境的准确检测，资源的勘探等，这样人类对海洋资源的开发也无从谈起，海洋环境的破坏问题也会越来越严重，因而对深海气象浮标系统进行水动力分析就显得尤为必要了，这为深海浮标正常高效的工作提供了保障，也为人类对海洋资源的开发提供了保障，为人类走向“深蓝”开辟了一片天地[5-7]。

　　海洋浮标技术发展起步是比较晚的，通常伴随着其他海洋科学技术的发展，因为传统的海洋技术已经不能满足人类发展的需求，在原来的海洋技术上，海洋浮标技术逐渐发展起来，它也可以认为是一种海洋气象环境勘测技术。世界范围内浮标技术发展始于20世纪40年代，但是真正将海洋浮标技术应用于海洋资源开发是从20世纪80年代开始。我国发展得更晚，从20世纪60年代才开始有了对海洋浮标的研制，而这个发展过程又有两个阶段。第一阶段(测试阶段)是在1985年以前，局限于当时的科技水平及工业发展还比较滞后的现状，这个阶段主要只是一些简单的技术测试，浮标研制工作进行得比较缓慢。我国浮标技术发展真正取得了巨大进展是在1984年，在当时大的技术环境下，3个中型圆盘形海洋资料浮标：HFB-1型、南浮1号和科浮2号[8]，雨后春笋般涌现出来，这表明我国当时浮标技术已经取得了重大突破，也为我国当时深海开发作出了巨大的贡献，取得了很多珍贵的资料，虽然在世界范围来看技术还不够先进，但是这为后来我国海洋浮标技术的发展阶段打下了牢固的基础。第二阶段(发展阶段)，是从1985年到当代，由于我国综合国力及科学技术的不断进步，对海洋资源的需求也不断增多，以及预防海洋地质灾害的需要，进一步促进了我国浮标事业的发展。并且在当时为了响应建设“国家海洋资料浮标网”的号召，我国开始了研制大型和小型海洋浮标。近几年人们将目光转向了更广阔的深海，从1986年开始，我国也开始了对深海浮标的研制，这为海洋浮标事业的发展创造了更加美好的前景。

　　海洋气象浮标根据其自身结构的特点可分为水上和水下两个部分[1]，水上部分通常是一些传感器构成，形状有圆柱形也有圆盘形等，它能够在水面上不停地运动，进行实时观测。浮标的品种繁多，根据是否有固定的装置分为有锚定型和漂流型两种。本文所研究的海洋气象浮标就属于锚定型浮标的一种，这里采取锚定方式的原因是它需要获取某一区域长时间的稳定的数据，所以一般采取锚定型，后者主要有一些漂流浮标和各种小型漂流器等。长时间以来国内外海洋工程领域相关专家对于各类浮标研究探讨有很多。但主要还是集中于浮标自身的探测系统、供电系统等方面，比如会考虑到浮标工作过程中探测信息的准确性问题，浮标长时间工作能量供应问题等，但是对于浮标系泊系统及其水动力特性研究并不是随着浮标研制技术一起发展的，考虑到气象浮标复杂的工作环境，尤其是深海浮标，在恶劣的海洋环境下，会受到各种风浪流载荷(矩)的作用，要保证其长时间正常稳定的工作，保证其缆线不发生断裂、不跑锚、走标等[9]，对其动力学的研究从20世纪末开始逐渐受到专家学者们的重视。一般对类似海洋管线、缆索等进行动力学分析时，海洋工程界认为其是具有挠性的结构部件，在进行计算时认为它们不承受剪应力，也不会传递扭矩。因而计算分析过程中只计算缆索轴向张力、环境载荷(风、浪、流)作用、缆索上组件的受力以及整个系统的耦合动态响应。根据实际情况，计算方法可分为静力法和动力法两种。静力法对系统受到的惯性力忽略不计，通常采用悬链线法[10-11]，但是海洋环境无时无刻不在发生着变化，海浪、海流的运动并不是按着一定的规则，缆索的几何形状非线性等，这样导致作用在缆索上的载荷及其动态响应一般表现为比较复杂的非线性动力学问题[13-21]。所以只采用静力学分析还不够，对浮标系泊系统及其缆索动力学分析，近几年来也引起许多国内外学者的兴趣，为研究浮标系统及其缆索的动力学响应进行了大量数值模拟和实验研究，得到的研究成果也大大促进了其动力学的发展。

　　由于缆索材料的非线性、外界载荷的时变性与急剧性，直接从理论上对单点系泊海洋气象浮标系统进行动力学计算还存在一定的困难。鉴于此，本文将对单点系泊海洋气象浮标系统进行动态仿真，以期得到一些有价值的结论，从而可以为指导实际工程实践提供一定的参考价值。

　　1数值计算方法

　　1.1浮标运动方程

　　对于任意一个物体，其最基本的运动方程都可以用牛顿第二定律表示，即

　　L=MA(1)

　　对于Spar浮标来说，其中L是作用在物体上的总的载荷矢量，M是总质量矩阵，A是浮标加速度矢量。因为Spar浮标在模型中被认为是刚体，并且认为它有6个自由度，所以总的载荷矢量L和浮标加速度矢量都是6维向量，M是6×6矩阵。浮标加速度矢量A是未知的变量。总载荷矢量L和总质量矩阵M都是可以计算的。

　　1.2总载荷矢量L的建立

　　总载荷矢量L是由两个三维向量构成的6维矢量，即总的力矢量和总力矩矢量。对总载荷矢量产生因素主要有浮标自身受到的浮力F，以及某一位置p(该位置相对于浮标初始位置)引起的力矩阵H，最终由这些因素可得到浮标总的载荷L，如下所述：

　　「F■

　　其中p×F是有浮力相对于浮标初始位置所产生的额外矩阵，需要指出的是，在大多数情况下，H=0。

　　1.3总质量矩阵M的建立

　　总质量矩阵M，它是由6×6矩阵构成，对其建模时，可以看成是由3个2×2Mk(由MTT、MTR、MRT、MRR组成)块质量矩阵构成的，其中每个块矩阵又是由1个3×3矩阵构成，块矩阵MTT表示平动-平动块，MTR表示平动-转动块，MRT为转动-平动块，MRR表示转动-转动块。对于Spar浮标自身来说，如果在相对于浮标轴某一位置p=(x,y,z)有影响因子存在，那么这些因子就需要考虑，影响因子对2×2块质量矩阵产生的影响可以用如下公式表示：

　　1.4系泊缆索的离散方式

　　系泊缆索采用凝聚质量参数法进行离散，关于该方法的具体理论可参见参考文献[22]，这里不再赘述。

　　2仿真计算案例

　　2.1单点系泊气象浮标系统仿真模型的建立

　　在图1所示模型之中，气象浮标通过一根比较长的复合材料组成的单一缆索相连，缆索一端锚定在海床，水上浮标在海面上保持一定的位置，这里采用的系泊方式是单点系泊，在缆索中间位置有一个中线浮标，它具有一定的质量和体积。

　　在对气象浮标进行建模时，选择的是6D Spar buoy(6自由度)模块，选择这个模块的好处是能够捕捉与海面的相互作用。系泊缆线处于深海之中，在缆索中间某一位置，有一个较小的浮标附着缆索上，这里定义这个浮标为中线浮标，对其建模时选择“块”模块，初始状态中线浮标在缆线1 330 m处。这根较长的缆索是由几种不同属性的材料管线构成。初始模型缆索总长度为2 480 m，缆线一端与气象浮标相连，一端锚定在海底，在简化模型中该气象浮标是由8个给定直径(d)和高度(h)的小圆柱体叠放在一起构成的。

　　2.2气象浮标主体结构参数

　　浮标主体的质量为3.983 kg，具体结构分布和几何尺寸如表1所示。

　　2.3缆索结构参数

　　缆索是由5种不同属性的材质构成，总长度2 480 m。其各部分组成如表2所示。

　　3计算结果对比

　　3.1海洋流速对浮标系统的水动力特性的影响

　　以我国某海域实际海况为例[9]，分别取海水流速为1.125、2、3、4.5 m/s。对整个浮标系统水上部分与水下部分进行计算分析，得到不同的响应特征，计算结果如图2所示。由图可知，海流速度增加对于水上气象浮标来说，其浮标自身角速度也相应地发生了变化，在海流速度为1.125 m/s时，角速度随时间变化是最大的，随着海流速度增加，水上浮标自身角速度却逐渐减小，当海流速度为4.5 m/s时，在100 s时，浮标角速度几乎为0。

　　如图3所示，可知在海流速度为1.125 m/s和2 m/s时，沿缆长方向加速度变化是不大的，但是在速度为1.125 m/s时，缆索加速度最大值发生在大约缆索220 m处，此处缆索速度变化比较快，合外力比较大，速度为2 m/s时，加速度最大值发生在缆索大约280 m处，随着海流速度的进一步增大，沿缆长方向加速度也会变大，并且变化很明显，在速度为4.5 m/s时，加速度最大值接近10 m/s2，在速度为3 m/s和4.5 m/s两种情况下，加速度最大值出现的位置都是在缆索与水上浮标相连的节点处，说明此处缆索速度变化快，受到合外力比较大，容易受到急性冲击破坏。

　　3.2波浪方向对气象浮标系统的水动力特性的影响

　　结合我国某海域较长一段时间浪向特征[9]，分别以浪向角为0°、60°、120°、180°情况为例，对气象浮标系统水上浮标动态特性与水下系泊系统动态响应进行计算，可得到不同浪向下，气象浮标系统水动力响应特性。

　　如图4所示，浪向角为0°时，浮标角速度是最小的，随着浪向角逐渐变大，气象浮标角速度也逐渐变大，但是从0°到120°这个过程中其实浮标角速度并未出现急剧变大的现象，说明浪向角在这个范围内，水上浮标回转运动比较稳定，但是在浪向角为180°时，浮标角速度有较大幅度的变大，此时就要考虑浮标是否能够持续稳定作业。

　　如图5所示，在4种不同浪向角度下，从缆索水上起始位置到大约缆索1 000 m处，缆索加速度范围变化比较大，并且离水面位置越近，加速度越大，但是到了1 000 m之后，加速度比较稳定，说明了越往海水深处，缆索各节点处速度变化比较慢，受到合外力越小，但是在节点2 480 m处，加速度又会出现突变，此处正是锚所在的位置，在浪向为0°和60°时，缆索最大加速度发生的位置处于缆索与水上气象浮标相连的节点处，此处缆索速度变化快，合外力比较大，随着浪向的变大，沿缆长方向的加速度最大值也逐渐变大，在浪向120°和180°处，加速度最大值出现的节点位置也基本相同，大约在缆索长度500 m处，此处节点合外力达到最大，在实际中可能会出现急性断裂。

　　3.3 Spar浮标质量对浮标系统的水动力特性的影响根据浮标数据表上数据，以Spar浮标质量分别为3、5、7、9 kg进行计算，对气象浮标系统水上浮标动态特性与水下系泊系统动态响应进行分析计算。

　　如图6所示，在浮标质量为3 kg时，浮标角速度是最大的，当浮标质量逐渐变大时，浮标自身角速度在一定范围内会减小，但是当浮标质量为9 kg时，浮标角速度却又变大，这是因为当浮标质量变大到一定程度，浮标附近质量效应会对浮标圆周运动产生影响，但是在质量较小时，附近质量的影响可忽略不计，由此可知如果水上浮标质量过大，水上浮标运动回转运动变得更加剧烈，对浮标系统实际工作反而不利。

　　如图7所示，在Spar浮标质量为3 kg和5 kg时，沿缆索长度方向，加速度最大值基本上一样，并且加速度最大值发生的位置基本上也一样，加速度最大值发生在缆索长度方向大约250 m处，此时缆索速度变化最快，此处缆索合外力最大，外加载荷作用最明显，加速度最大值为3 m/s2左右，在浮标质量为7 kg和9 kg时，加速度最大值出现的位置也大致相似，加速度最大值为4 m/s2，但是在Spar浮标质量为9 kg时，还需要考虑缆索长度方向750 m和1 000 m两处位置，这两处缆索加速度也比较大，瞬时合外力比较大，外加载荷作用也比较明显，在实际中容易出现急性载荷作用，可能会导致此处发生断裂的危险。

　　3.4水下浮标体积对浮标系统的水动力特性的影响

　　模型建立时，水下中线浮标初始体积为2 m3，根据浮标数据表上面的相关数据分别在中线浮标体积为1、2、4、5 m3的情况下，对气象浮标系统进行水动力分析计算，从而可得到不同中线浮标体积下浮标系统的水动力响应特性。

　　如图8所示，当中线浮标体积为1 m3时，气象浮标角速度随时间变化是最大的，且峰值达到0.07，当中线浮标体积增大时，气象浮标角速度会减小，但是当中线浮标体积进一步变大，当中线浮标体积为4 m3和5 m3时，浮标角速度并没有继续变大，且基本上保持不变，说明此时中线浮标体积对水上浮标运动回转性影响不大。以上现象说明在实际工程作业中，中线浮标体积不宜过小，也不能太大，太大太小都会造成水上浮标工作不稳定或与缆索脱离，从而可能出现走标、浮标回转运动比较激烈的现象，综合来说，中线浮标体积在1~2 m3范围内，能保证水上浮标工程作业比较稳定。

　　如图9所示，当中线浮标体积为1 m3时，总体来说沿缆索长度方向，加速度变化不大，但是在缆索2 480 m处，缆索加速度达到最大，并且相比其他中线浮标体积下，加速度最大值更大，接近12 m/s2，说明此节点处缆索合外力达到最大，在实际中容易出现急性载荷作用，可能会导致缆索与海床锚泊节点出现脱落，导致跑锚的危险存在，当中线浮标体积为2 m3，缆索加速度最大值发生在大约220 m处，但是最大值并没有特别大，此处缆索合外力比较大，随着浮标体积逐渐变大，沿缆索长度方向加速度变化不大，且最大值发生的位置基本上处于同一位置。

　　4结束语

　　本文通过数值仿真，对不同参数下的单点系泊海洋气象浮标系统的动力学相应进行了参数敏感性分析，得到的结论如下。

　　(1)当Spar浮标质量逐渐变大的时候，水上浮标位移也会变小，此时水上浮标作业是比较安全的；但是浮标质量过大，在浮标实际工作中是非常不利的，通过数值计算分析得出，浮标质量在5~7 kg比较适宜。

　　(2)在对浮标系统中线浮标体积进行设计时，要保持在合理范围内，体积如果比较小，虽然能避免出现走标，但容易出现急性载荷冲击破坏，也会造成缆索突然跑锚的风险，因而在实际生产中，中线浮标体积在1~2 m3比较合适，并且中线浮标体积在这个范围内，缆索张力也比较小，出现断裂的风险也比较低。

　　(3)当气象浮标工作海域浪向0°~60°时，缆索与浮标动力作用效果比较明显，容易出现浮标跑标。

　　(4)随着海流速度的增加，水上浮标的横荡也会变大，在实际生产中会造成浮标跑标；但是海流速度过小，容易造成跑锚，缆索与海床脱离，这对气象浮标实际工作也不利，通过计算分析可以发现，在一定海流速度范围内，浮标位移等随着海流速度变大虽然也会变大，但是并未发生急剧变大的现象。通过模拟计算可以得出，实际工作中，在其他条件不变的前提下，为保证浮标工作的顺利进行，该浮标工作海域水流速度在2~3 m/s为佳。

　　(5)在浮标实际工作海域，如果海流速度确实比较大，为保证浮标工程作业的顺利进行，在对浮标系统进行设计时可适当增加Spar浮标质量，或者在海洋缆索材料许可的范围内，可将水下中线浮标的位置设计得稍微深一些。

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