基于AQWA的波浪观测浮标随波性能分析与优化研究

1 前言

随着世界海洋经济的迅猛发展，海洋环境数据的测量和收集对于人类探索和开发海洋资源显得日益重要，而基于自身无人值守的优点，各类海洋观测浮标被广泛应用于测量和收集海洋环境的数据资料。海洋资料浮标具有全天候、全天时、定点且稳定可靠的收集海洋环境资料等优点。描述海洋环境需要测量许多参数，而波浪参数的测定是众多海洋环境参数测量中重要的一项，为确保准确测量不同频率范围内的波浪参数，要求海洋资料浮标在尽可能大的波频范围内都具有良好的随波性。浮标的随波性主要体现在波浪作用下浮标的垂荡运动响应，因此研究不同波浪频率下海洋资料浮标的垂荡运动规律，对于提高其数据测量准确度具有重要意义。

目前国内外对浮标运动特性的研究主要有试验和数值计算两种方法。Cozijn等[1]对CALM(cat-enary anchor leg mooring)浮标系统进行了模型试验，并采用数值计算对其运动响应进行了耦合动力分析； Leonard等[2]采用三维耦合分析方法研究了浮标与系泊系统之间的耦合作用。Monroy等[3]利用能模拟流体包括粘性效应在内的完全的非线性作用的SWENSE方法，在规则波与不规则波下模拟CALM浮标的幅值响应算子。Salem等[4]利用频域分析方法对CALM浮标系统二次阻尼线性化问题进行了研究，并且利用该种线性化方法估计了浮标纵摇运动峰值。王昭正等[5]对圆盘形资料浮标及其系泊系统的设计计算以及相关的模型试验进行了说明。缪泉明等 [6]人基于三维势流理论计算了自由浮标体的附加质量、附加阻尼等水动力参数及运动响应，并对不同水深的三锚系统在极限海况下的运动响应及锚链张力大小进行了数值模拟估算。范秀涛、王华杰等[7,8]基于谱分析法研究了大型海洋资料浮标的垂荡和横摇运动响应，但是研究中没有考虑系泊的影响。张继明等[9,10]利用浮标模型试验对横摇阻尼系数进行了修正，并对海洋资料浮标的横摇运动响应在频域内进行数值模拟仿真，同样没有考虑系泊的作用。

泥鳅起捕后，在运输或食用前都必须清水暂养几天，以排除泥鳅体内污物，去掉泥腥味，提高运输成活率，并改善食用口味。可采用8m×4m×0.8 m的水泥池，每立方米暂养6～9kg，若增氧条件好，每立方米暂养约50kg。

对于海洋浮式结构物，国内外学者研究重点集中在浮体的六自由度运动响应以及系泊缆绳的受力，而专门对于反映近海海洋资料浮标随波性能的垂荡运动响应分析研究较少。为了能够得到浮标垂荡运动响应较为准确的预报结果，文中将利用AQWA水动力学计算模型，将浮标作为大尺度构件进行处理，因此在计算浮标体的水动力系数和波浪力函数需要采用基于绕射和辐射理论的三维势流理论。基于垂荡方向的单自由度运动方程，对规则波下不同形状参数的自由浮标进行频域分析，得到浮标的垂荡运动响应幅值（RAOs）。将不同参数浮标的计算结果进行比较分析，得出具有较好工作性能的是平底柱形浮子1-3，为海洋资料浮标的形状设计提供参考。

据工业和信息化部和中国工业经济联合会联合下发的通告指出，开展制造业单项冠军示范企业、单项冠军培育企业、单项冠军产品评选，旨在提升企业专业化能力和水平，突破制造业关键领域短板，推动产业整体迈向全球价值链中高端，促进我国制造业的创新能力和制造业高质量发展，提升中国的国际竞争力。

选择模型1-3和2-2分析浮子形状对平底柱形浮子垂荡运动的影响，结果如图9所示。不同形状浮子在波浪中垂荡运动幅值随波频的分布曲线趋势基本相同，均随波频的增加而减小。但柱形浮子1-3的垂荡幅值在更长的波频范围内较波浪幅值更为接近，即对短周期的波浪数据监测更为准确。

2 数值模拟

2.1 线性规则波下的频域分析

在规则波中，浮子受到的波浪力可以分解到六个方向上，因此产生六个自由度的运动分别为纵荡、横荡、垂荡和纵摇、横摇、首摇。如图1所示，上述六个自由度的摇荡运动可以理解为三种线位移和三种角位移的组合，其中，纵荡是浮子重心沿着ox轴方向的直线运动；横荡是浮子重心沿oy轴方向的直线运动；垂荡是浮子重心沿oz轴方向的直线运动；横摇是浮体绕ox轴的转动；纵摇是绕oy轴转动；首摇是绕oz轴的转动。由于海洋资料浮标主要研究浮标的随波性，故本研究主要考虑的因素为垂荡运动响应。

选择模型1-3、1-6和1-7分析浮子直径对平底柱形浮子垂荡运动的影响，结果如图6所示。在质量相同的情况下，浮子直径越小，即越瘦削，在高频区垂荡运动幅值越大，垂荡运动越不稳定，且与波浪发生共振现象，导致测量不准。在波频小于2.5 rad/s时，直径为3.2 m的模型1-3垂荡幅值与波浪幅值最为接近，监测结果最准确。

2.1.1 坐标系的定义

  

图1 浮子的六自由度运动

 

 

 

2.2 几何建模

 

  

图2 平底柱形浮子的网格划分

  

图3 锥底柱形浮子的网格划分

 

2.3 计算工况

选择模型1-1、1-2、1-3、1-4和1-5分析浮子重量对平底柱形浮子垂荡运动的影响，结果如图4所示。波频小于1 rad/s时，不同重量浮子垂荡运动的幅值均与波浪幅值（1 m）保持一致；波频在1～3 rad/s时，只有模型1-3垂荡运动幅值仍然与波浪幅值很接近，随波性良好，监测波浪数据更为准确。在高频区浮子重量越大越容易发生共振。

 

表1 平底柱形浮子工况表

  

名称 高(m)直径(m)质量(kg)淹没深度(m)网格数（个）1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 0.8 3.2 1 000 0.121 2 874 0.8 3.2 1 500 0.182 2 904 0.8 3.2 2 500 0.303 2 958 0.8 3.2 3 500 0.425 2 791 0.8 3.2 5 500 0.667 2 791 0.8 2.4 2 500 0.539 1 919 0.8 4.0 2 500 0.194 4 225 1.6 3.2 2 500 0.303 3 295 2.4 3.2 2 500 0.303 4 142名称 高(m)直径(m)质量(kg)淹没深度(m)网格数（个）1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 0.8 3.2 1 000 0.121 2 874 0.8 3.2 1 500 0.182 2 904 0.8 3.2 2 500 0.303 2 958 0.8 3.2 3 500 0.425 2 791 0.8 3.2 5 500 0.667 2 791 0.8 2.4 2 500 0.539 1 919 0.8 4.0 2 500 0.194 4 225 1.6 3.2 2 500 0.303 3 295 2.4 3.2 2 500 0.303 4 142

 

表2 锥底柱形浮子工况表

  

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3 计算结果及分析

取浮子所处海域水深h = 15 m，海水密度ρ=1 025 kg / m3，重力加速度g =9.8 N / kg，计算波频ω=0～5 rad/s，波浪振幅为1 m。

选择模型1-3、1-8和1-9分析浮子的高度对平底柱形浮子垂荡运动的影响，结果如图7所示。在直径和质量相同的情况下，高度不同的平底柱形浮子的垂荡运动幅值随波频变化趋势均大致重合，在波频小于3 rad/s时均与波浪幅值较为接近，监测较为准确。柱高的变化对平底柱形浮子随波性的影响可以忽略。

3.1 浮子重量的影响

海洋资料浮标的工作性能受到很多外在因素的影响，如：重量、形状参量、形状、波浪要素等。中国海域与欧洲海域的波况相比具有波周期短和波高小的特点，需要设计适用于短周期和小波高条件下的海洋资料浮标，使其在中国近海海域中实现较准确的海况监测。要确定相对符合的浮子形状，本文设计了15种工况的浮子（如表1、2），来分析比较在外界环境载荷相同的条件下，不同外形参数浮子的随波性。

  

图4 质量对平底柱形浮子垂荡幅值的影响

选择模型2-1、2-2、2-3和2-4分析浮子重量对锥底柱形浮子垂荡运动的影响，结果如图5所示。不同质量浮子垂荡运动幅值随波频的变化趋势与平底柱形浮子相同；波频在1～3 rad/s时，只有模型2-2垂荡运动幅值仍然与波浪幅值较为接近，随波性较好。

  

图5 质量对锥底柱形浮子垂荡幅值的影响

根据以上分析可知：当浮子静水面的圆截面相同时，无论浮子底部形状如何，相同波频条件下，浮子工作性能随重量变化规律大致相同，即浮子垂荡幅值随重量的变化趋势相同。浮子垂荡幅值相对于波浪幅值的变化越大，浮标监测数据更不准确。因此，可选择垂荡运动幅度与波浪振幅最为接近，运动相对稳定，随波性最好的浮子。所选的9个浮子模型工作性能较好的有模型1-3和模型2-2。

3.2 浮子形状参量的影响

浮子在海洋中的运动是六自由度运动，为了计算以及叙述的方便，一般定义如下两个坐标系：参考坐标系oxyz和动坐标系ooxoyozo。参考坐标系的坐标原点在水平面上，oxy平面与静水面重合，z轴垂直向上；动坐标系是固定在浮子上，初始平静的静水面与浮子的重合处为坐标原点，动坐标系与浮子的运动保持一致。其中两个坐标系的三个轴的方向也保持一致，并且满足笛卡尔右手定则。当浮子静止时，两个坐标系重合，但参考坐标系的原点位置在水面上，而动坐标系的原点则在浮体上。当浮子受到波浪作用而运动时，两个坐标系分离。

  

图6 直径对平底柱形浮子垂荡幅值的影响

随着我国社会经济的快速发展，我国的城市化进程得到了快速的推进，城市人口随之快速增加，为了给市民提供良好的居住环境，市政府也在不断加大对基础设施建设的投资[1]。市政道路属于城市交通建设的重要构成，对于城市发展和交流有着重要意义。城市道路由于巨大的车流量长期碾压，如果质量不达标就容易造成路面塌陷等问题，使得道路使用寿命缩短。我国有不少城市道路属于软土地基，如果没有进行软基加固，就容易造成道路在使用过程中出现形变、沉降等问题，危及来往车辆安全[2]。对此，在市政道路施工中就需要采取软基加固来提高市政道路施工质量。

  

图7 柱高对平底柱形浮子垂荡幅值的影响

选择模型2-2、2-5和2-6分析浮子锥角对锥底柱形浮子垂荡运动的影响，结果如图8所示。在波频0～2.5 rad/s时，锥角为120°的浮子垂荡运动幅值相对于波浪幅值最接近，而锥角为90°的浮子与波浪产生共振，监测结果不准确。

3．3 预防儿童心理问题，需要采取综合措施 据WHO估计，大约有20%的儿童在成年之前会出现情绪或行为问题，如不及时干预，可能发展成为心理障碍或疾病［8］。这将严重影响儿童的身心健康发育。所以要减少儿童行为问题的发生，必须采取综合措施，这需要全社会介入，宣传儿童心理卫生的重要性，预防儿童心理问题的发生，保护儿童心理健康的发展。

根据差分集式(8)～(10)对式(6)进行分析，B(θ1,θ2,…θD)中含有重复行向量，重复出现的行向量只保留一次，得到虚拟阵列流型B1(θ1,θ2,…，θD)，对应的虚拟阵列响应为z1，噪声列向量为则有

  

图8 锥角对锥底柱形浮子垂荡幅值的影响

3.3 浮子形状的影响

随着市场环境的变化和营销实践的迅速发展，营销理念和方式也在发生着变化。20世纪70年代以后，以菲利浦·科特勒为代表的学者更多地将文化与营销结合起来，认为营销活动是一种社会现象。文化因素因成为市场营销和战略管理中十分重要的领域而被重视。文化营销作为一种营销方式，被广泛运用于营销实践中。

  

图9 形状对浮子垂荡幅值的影响

3.4 结果汇总

根据上述分析，选择波频为2.8 rad/s下各个浮子的垂荡幅值，将其与设定的波浪振幅（1 m）进行比较，得到浮子的垂荡幅值与波浪振幅之间的相对幅值，结果如表3所示，并以此判断各个浮子在较高频率波浪作用下随波性的好坏。

 

表3 各个浮子模型的相对幅值

  

名称 垂荡幅值相对幅值1-1 0.85 0.15 2-1 0.85 0.15 1-2 0.90 0.10 2-2 0.92 0.08 1-3 1.04 0.04 2-3 1.08 0.08 1-4 1.24 0.24 2-4 1.24 0.24 1-5 1.27 0.27 2-5 1.92 0.92 1-6 1.72 0.72 2-6 0.85 0.15 1-7 0.78 0.22 1-8 1.04 0.04 1-9 1.04 0.04相对幅值 名称 垂荡幅值

根据上表的统计，模型1-4、1-5、1-6、2-4及2-5均在波频为2.5 rad/s左右发生共振，导致监测波浪数据的不准确。并且只有模型1-3、1-8及1-9在频率为2.8 rad/s的波浪作用下相对幅值最小，而考虑到柱高对浮子垂荡幅值并无影响，故选择柱高最小、稳性最好的模型1-3作为海洋资料浮标的初始选型。

4 总结与展望

本文所选浮子模型为双轴对称结构，其他自由度的运动对垂荡运动没有耦合影响，单自由度垂荡分析模型即可准确描述浮标的垂荡运动响应。本文利用AQWA水动力学计算模型，基于势流理论，在规则波下，对自由浮标进行频域分析，利用数值分析的方法研究计算了浮子的垂荡运动幅值。期间共选择两种浮子类型的15个工况作为算例进行数值模拟计算，用以分析浮子重量、直径、柱高、锥角及形状对浮子垂荡运动幅值的影响，得出了其随波频的变化规律。

结果表明，质量越大的浮子，垂荡运动幅值越大，但总体趋势较为一致；浮子直径和底部锥角对浮子运动幅值的影响均较大，且变化规律为非线性；浮子工作性能不受柱高的影响；相比较而言，平底柱形浮子1-3在更长波频范围内的随波性良好，即更能满足中国短周期波浪海况的测量。

根据计算结果，本文完成了海洋资料浮标浮子的初步选型，为装置形状参数的优化奠定基础。

本文研究了装置在规则波作用下的垂荡运动特性，但真实的海况极其复杂，故需进一步模拟研究浮子在不规则波作用下的工作性能。另外，本文只分析了自由浮子在规则波中的运动特性，而未考虑浮标与锚泊系统的耦合作用。

参考文献

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[2] LEONARD J W, IDRIS K, YIM S C S. Large angular motions of tethered surface buoys[J]. Ocean Engineering, 2000, 27(12).

[3 ]MONROY C, DUCROZET G, BONNEFOY F, et al. RANS simulations of CALM buoy in regular and irregular seas using SWENSE method[J].International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2011, 21(4).

[4]SALEM A G, RYU S, DUGGAL A S, et al. Linearization of quadratic drag to estimate CALM buoy pitch motion in frequency-domain and experimental validation[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2009,134（1）.

[5]王昭正. 关于圆盘形浮标体和锚碇系统的设计计算和模型实验[J]. 山东科学，1988（1）.

[6]缪泉明，顾民，杨占明等. 极限海况下浮标运动及锚链受力估算[J].船舶力学，2003, 7(5).

[7]范秀涛，邵萌，孙金伟等. 大型海洋资料浮标的运动性能研究[J]. 海洋技术学报，2014, 33(1).

[8]王华洁，孙金伟，邵萌等. 频域内海洋资料浮标垂荡运动特性研究[J].山东科学, 2016（06）.

[9]张继明，范秀涛，赵强等. 频域内海洋资料浮标水动力特性的仿真研究[J]. 山东科学，2015, 28（4）.

[10]张继明，范秀涛，张树刚等. 海洋资料浮标锚泊系统的系泊力计算[J].山东科学，2014（02）.