SPAR平臺拖拉裝船作業(yè)風(fēng)荷載計(jì)算研究

閆宏生，徐 燕，張英晟，孫偉英，樊之夏

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300451)

SPAR平臺拖拉裝船作業(yè)風(fēng)荷載計(jì)算研究

閆宏生1，徐 燕1，張英晟1，孫偉英2，樊之夏2

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300451)

SPAR平臺裝船作業(yè)和運(yùn)輸過程中受到的風(fēng)荷載對作業(yè)的安全性有極大的影響。采用計(jì)算流體動力學(xué)方法，針對作業(yè)和極限兩種工況，對桁架式SPAR平臺在不同方向下的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，然后將數(shù)值模擬的結(jié)果和規(guī)范計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，證實(shí)了CFD計(jì)算方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的有效性，為計(jì)算桁架式SPAR平臺這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的風(fēng)荷載提供了一個新方法。

桁架式SPAR平臺;風(fēng)載荷;計(jì)算流體動力學(xué);數(shù)值模擬

SPAR平臺屬于順應(yīng)式平臺，被廣泛應(yīng)用于人類開發(fā)深海的事業(yè)中，擔(dān)負(fù)著鉆探、生產(chǎn)、海上原油處理、石油儲藏和裝卸等各種工作，成為當(dāng)今世界深海石油開采的有力工具［1］。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對SPAR平臺進(jìn)行了大量細(xì)致的研究，如動力響應(yīng)、系泊系統(tǒng)、疲勞強(qiáng)度以及各種耦合運(yùn)動分析等，但對于SPAR平臺的運(yùn)輸研究相對較少。SPAR平臺的運(yùn)輸一般采用濕拖和干拖兩種方式:濕拖是指利用SPAR平臺自身的浮力，采用拖船對SPAR平臺進(jìn)行拖航運(yùn)輸，濕拖主要用于距離安裝場地不遠(yuǎn)的短距運(yùn)輸;對于從建造場地到浮卸場地的長距離運(yùn)輸，只能采用半潛船的干拖形式(如圖1所示)。

SPAR平臺的尺寸巨大，一般設(shè)有多層止蕩板和桁架結(jié)構(gòu)，其受到的風(fēng)荷載較大且想要準(zhǔn)確的計(jì)算出整體的風(fēng)荷載卻非常困難。目前常規(guī)的計(jì)算方法是首先計(jì)算出各部分的受風(fēng)面積，然后進(jìn)行最不利的組合，但是這種簡單的估算并不能滿足計(jì)算半潛船運(yùn)輸時的穩(wěn)性以及裝船時系泊安全性的要求。

采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)基本原理對桁架式SPAR平臺在裝船時受風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，對風(fēng)載荷進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，給出了該平臺在不同風(fēng)向、不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載。該計(jì)算結(jié)果可以作為裝船時系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，也可作為在航行過程中，判定半潛船運(yùn)輸時穩(wěn)性校核的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 SPAR平臺的干拖形式Fig.1 The spar and submerged ship

1 CFD基本理論和方法

1.1 控制方程

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是建立在流體力學(xué)基本控制方程——連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的基礎(chǔ)上的［2］。連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程，笛卡爾坐標(biāo)系下，連續(xù)性方程的微分形式為

動量方程也稱為流體運(yùn)動方程，它是將牛頓第二定律應(yīng)用于流體模型得出的。不可壓縮粘性流體的運(yùn)動方程首先由Navier在1827年提出，Poisson在1831年提出可壓縮粘性流體的運(yùn)動方程，Stokes在1845年提出粘性系數(shù)為一常數(shù)的形式［3］?？蓧嚎sN-S方程的普遍形式為

式中:Δ是拉普拉斯算子;ρ是流體密度;p是壓力;ν是流體在時刻的速度矢量;F是外力;υ為粘性系數(shù)。NS方程比較準(zhǔn)確地反應(yīng)了流體的實(shí)際運(yùn)動，但是由于其高度的非線性，目前很難通過直接數(shù)值模擬求解N-S方程。

1.2 數(shù)值離散方法

控制方程在流場內(nèi)是連續(xù)的，須通過離散處理，將連續(xù)性的方程轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，方可對方程求解，得出離散點(diǎn)的值。離散方法主要分為三種:有限差分法、有限體積法和有限元法［4］。

1)有限差分法(Finite Difference Method):FDM的基本思想是把問題的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，用差商代替微商，用差分方程逼近微分方程，并根據(jù)原問題的初邊界值條件給出離散化的代數(shù)方程的初邊值條件，從而把原問題離散成差分格式，進(jìn)而求出數(shù)值解［5］。

2)有限元法(Finite Element Method):FEM是將連續(xù)計(jì)算域分割成有限子域，每個子域的場函數(shù)是只包含有限參數(shù)的簡單場函數(shù)，這些子域的場函數(shù)的集合就能近似代表整個連續(xù)域的場函數(shù)。求解連續(xù)場函數(shù)的微分方程就轉(zhuǎn)化為有限待定參數(shù)的代數(shù)方程組，求解這個代數(shù)方程組就得出連續(xù)方程的近似解。

3)有限體積法(Finite Volume Method):FVM將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍都有一個互不重疊的控制體積，然后將待解的微分方程對每一個控制體積進(jìn)行積分(需要假定待求解在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律)，得出一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。FVM可以認(rèn)為是FDM和FEM的中間產(chǎn)物，其計(jì)算效率高，并且積分守恒性較好［6］。

2 數(shù)值計(jì)算

選擇商用軟件Flow3D，采用有限差分方法離散流體控制方程，并采用GMRES方法求解離散后的代數(shù)方程。根據(jù)桁架式SPAR平臺裝船時的具體方案，針對作業(yè)工況(風(fēng)速為5 m/s)和極限工況(風(fēng)速為10 m/s)兩種情況，對 0°、45°、60°、90°四個風(fēng)向所受到的總風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。

2.1 計(jì)算模型

桁架式SPAR平臺的主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，圖2為建立的結(jié)構(gòu)模型。

表1 實(shí)際Truss Spar基本尺寸Tab.1 The fundamental dimension of SPAR

2.2 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格劃分

計(jì)算域的確定和網(wǎng)格劃分對于計(jì)算精度非常重要，根據(jù)桁架式SPAR平臺的尺寸，針對四種風(fēng)向分別設(shè)置了四種計(jì)算區(qū)域并相應(yīng)的劃分了網(wǎng)格，計(jì)算域和網(wǎng)格的劃分情況如表2和圖3所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Compute model of SPAR

表2 計(jì)算域大小及網(wǎng)格劃分Tab.2 The computational domain and mesh of SPAR

圖3 SPAR平臺計(jì)算域Fig.3 The computational domain of SPAR

2.3 邊界條件

邊界條件的選取對計(jì)算非常重要，一般包括進(jìn)口條件、出口條件、壁面條件和對稱邊界等。根據(jù)相對運(yùn)動原理，將桁架式SPAR平臺設(shè)置為固定的。邊界條件的設(shè)置為:進(jìn)口為速度邊界;出口為自由流出邊界條件;物體表面和底部都為無滑移壁面條件;其他方向?yàn)閷ΨQ邊界條件;靜水壓力方向?yàn)閆軸負(fù)方向。

2.4 計(jì)算結(jié)果

按上述條件設(shè)定好，進(jìn)行計(jì)算，得到在不同的風(fēng)向角及不同的風(fēng)速情況下的阻力，圖4是不同風(fēng)向角及風(fēng)速情況下的阻力計(jì)算圖，表3是風(fēng)阻的計(jì)算平均值，圖5是風(fēng)速為10 m/s的不同風(fēng)向角時的風(fēng)壓分布狀況。

根據(jù)圖4的計(jì)算結(jié)果，取5～20 s的平均值(0～5 s的震蕩劇烈，略去)，可得到如表3的風(fēng)阻力計(jì)算平均值。

圖4 不同風(fēng)向角及風(fēng)速情況下的阻力收斂圖Fig.4 The resistance convergence scheme of SPAR

如圖5所示，在0°風(fēng)向時，軟艙以后以及各止蕩板之間的壓力變化很大，基本是逐步減小，因而其遮蔽效應(yīng)是相當(dāng)明顯的。而45°方向和60°方向，由于夾角增大，其遮蔽效應(yīng)有所減弱，且受風(fēng)面積增大，風(fēng)荷載的逐步增大，在60°時，受到的總體荷載最大。90°風(fēng)向時，沒有遮蔽效應(yīng)，但受風(fēng)面積減小，總體荷載則相應(yīng)減小。因此，對于SPAR平臺的風(fēng)荷載計(jì)算，應(yīng)選取不同風(fēng)向進(jìn)行計(jì)算最大荷載方向以及相應(yīng)的荷載，來確定裝船時的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

表3 風(fēng)阻計(jì)算值 (單位:kN)Tab.3 Wind resistence computation (unit:kN)

圖5 不同風(fēng)向角的風(fēng)壓分布狀況Fig.5 The pressure distribution scheme of SPAR

3 風(fēng)載荷的規(guī)范計(jì)算及裝船研究

目前，有關(guān)風(fēng)荷載的計(jì)算，一般采用規(guī)范計(jì)算，根據(jù)《海船系泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》(ZB/T U13001-89)中有關(guān)規(guī)定，風(fēng)荷載按下式計(jì)算:

式中:Ra=0.073 5(橫向)，Ka=0.042 9(縱向)，Aa為水線以上風(fēng)壓方向投影面積(m2)，Va為相對風(fēng)速(m/s)。

表4給出了各方向的受風(fēng)面積的計(jì)算。圖6給出布置圖和計(jì)算的風(fēng)向。

根據(jù)各方向受風(fēng)面積，按上述式(3)進(jìn)行計(jì)算，可得到各方向的風(fēng)荷載，和CFD方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果如表5所示。

表4 受風(fēng)面積計(jì)算 (單位:m2)Tab.4 The computation of wind load area(unit:m2)

表5 風(fēng)荷載計(jì)算(10 m/s) (單位:kN)Tab.5 Wind load computation(unit:kN)

圖6 作業(yè)布置和計(jì)算風(fēng)向Fig.6 Operation arrangement scheme for loadout

很明顯，規(guī)范計(jì)算結(jié)果和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)計(jì)算結(jié)果相比有較大差異。規(guī)范計(jì)算中，只考慮風(fēng)速和受風(fēng)面積，沒有考慮結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)。對于像桁架式SPAR平臺這樣復(fù)雜的，非單一受風(fēng)面的結(jié)構(gòu)，只能將不同受風(fēng)面疊加，不能考慮其間的遮蔽效應(yīng)。另外，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，存在不同方向的受風(fēng)面，其各自的受風(fēng)效果會有相互影響，規(guī)范所給公式，無法考慮這些影響作用。采用本文使用的CFD計(jì)算方法，則可綜合考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果相對較為準(zhǔn)確。

從計(jì)算結(jié)果來看，在90°風(fēng)向下，由于SPAR平臺的受風(fēng)面積較為簡單，沒有明顯的遮蔽現(xiàn)象和相互作用。規(guī)范計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相差不大。但對于0°、45°、60°等相對遮蔽作用較為明顯的風(fēng)向。規(guī)范計(jì)算結(jié)果明顯大于理論計(jì)算結(jié)果。在0°方向，誤差接近200%，其根本原因就是由于SPAR的各層止蕩板以及各部位相互遮蔽現(xiàn)象極為嚴(yán)重，導(dǎo)致計(jì)算量極大;45°、60°風(fēng)向時，也存在類似的問題。

4 結(jié)語

采用計(jì)算流體力學(xué)方法對桁架式SPAR平臺的受風(fēng)荷載進(jìn)行了計(jì)算，并將結(jié)果和規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到如下結(jié)論:

1)桁架式SPAR平臺結(jié)構(gòu)巨大，其受到的風(fēng)荷載很大，對于裝船作業(yè)的安全性有極大影響。

2)現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算公式，沒有考慮不同受風(fēng)面之間的遮蔽效應(yīng)和相互影響，對于計(jì)算SPAR平臺這樣復(fù)雜的，多受風(fēng)面重疊的特殊結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，結(jié)果相對較為保守。

3)將CFD數(shù)值計(jì)算方法用于桁架式SPAR平臺風(fēng)荷載計(jì)算，結(jié)果準(zhǔn)確，還可以得到整個風(fēng)場的速度、壓力分布，對于裝船作業(yè)及航行過程中的安全性，具有較大的意義。

［1］顧 罡.國外SPAR平臺研究與發(fā)展綜述［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(3):

［2］高學(xué)平.高等流體力學(xué)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2005.

［3］常 欣，郭春雨，王 超，等.Fluent船舶流體力學(xué)仿真計(jì)算工程應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011.

［4］王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］忻孝康，劉儒勛，蔣伯誠.計(jì)算流體動力學(xué)［M］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1989.

［6］閻 超.計(jì)算流體力學(xué)方法及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

The research of wind loading for the SPAR Loadout

YAN Hong-sheng1，XU Yan1，ZHANG Ying-sheng1，SUN Wei-ying2，F(xiàn)AN Zhi-xia2
(1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tainjin 300072，China;2.China Offshore Oil Engineering Corporation，Tianjin 300450，China)

The wind loading acting on the SPAR platform during transportation and operation was very important for safety working.By use of the Computational Fluid Dynamics(CFD)method，we carried out the numerical calculation of wind loading acting on the truss SPAR platform with differents wind directions under working and extreme conditions.Then we compared numerical simulation results with the standard computation results.The research confirmed the validation of CFD method in computing the wind loading acting on the complicated structure such as SPAR platform and provided a new method to deal with this kind of wind loading problem.

SPAR platform;wind loading;CFD;numerical simulation

P751

A

1005-9865(2012)03-0131-06

2011-10-21

天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2012XZ-078)

閆宏生(1973-)，男，天津人，副教授，從事船舶性能及結(jié)構(gòu)可靠性研究。E-mail:holmes_tj@126.com