強臺風下導管架平臺風載荷數(shù)值仿真分析＊

陳維杰 陳國明 朱本瑞 暢元江

（中國石油大學（華東）機電工程學院）

風災是自然災害中影響最大的一種。近年來登陸我國南海海域的臺風出現(xiàn)了強度大、影響大、災害重的特征，對該海域海洋石油平臺造成極大影響。2006年臺風“珍珠”襲擊流花11-1油田，導致該油田作業(yè)的南海“勝利號”FPSO有7根錨鏈被颶風刮斷，3根軟管斷裂，油艙破裂，每天損失高達1000多萬元。2009年臺風“巨爵”襲擊惠州21-1氣田，造成部分生產(chǎn)設施受損，被迫停止生產(chǎn)。臺風帶來的極端風載是導致海洋平臺失效的主要因素之一，其與極端波浪載荷的聯(lián)合作用可使平臺整體傾覆［1-2］。因此，開展臺風風載荷對導管架平臺的影響研究很有必要。

目前確定風載荷的主要方法有風洞試驗、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬等，但國內外對海洋平臺受強臺風影響的研究較少。筆者利用計算流體動力CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，基于Fluent軟件，以南海中西部海域某帶有鉆井模塊的導管架平臺為算例，建立相應的CFD模型，采用RNGk-ε湍流模型［3］對平臺周圍風場進行了數(shù)值模擬與計算，為海洋平臺的設計與極限承載評估提供了有力依據(jù)，同時也為研究海洋石油平臺抗臺風工程開辟了新途徑。

1 風流場數(shù)值模擬控制方程

本文采用以雷諾時均N-S方程為基礎的RNGk-ε湍流模型來模擬平臺周圍繞流三維流場。RNGk-ε模型和標準k-ε模型相似，但在以下幾點做了改進：①RNGk-ε模型在ε方程中增加了耗散損失條件，有效地提高了精度；②考慮了湍流漩渦；③RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，而標準k-ε模型使用的是常數(shù)；④標準k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，而RNG理論則提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式?；谶@些特點，使得RNGk-ε模型比標準k-ε模型具有更高的可靠度與精度。其基本控制方程為

連續(xù)性方程

動量方程

湍流脈動方程

湍流耗散率方程

式（1）～（4）中：u為流體速度；ρ、p分別表示空氣的密度和壓力；η為分子粘度；ηt為湍流粘度，ηt=，其中cμ為常數(shù)，k、ε分別為湍動能和湍動能耗散率；i、j、n=1、2、3，分別表示沿x、y、z軸方向上的分量；c1、c2為常數(shù)；σk、σε分別表示k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)。

2 計算模型與算法設計

2.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

海洋導管架平臺模型如圖1所示。本文主要對平臺甲板、井架、起重機、生活區(qū)、樁腿和隔水管等主要模塊進行風載荷數(shù)值模擬，因此在建模過程中忽略平臺內部結構并對其進行基本簡化，省略人員通道、護欄、通風口等結構和設備。平臺模型由PRO／E建立，然后導入Fluent軟件前處理器Gambit進行網(wǎng)格劃分。為避免邊界對平臺周圍流場產(chǎn)生影響，本文采用較大模擬計算空間，計算流域取為688m×319m×408m。取8種不同風向角作為計算工況（圖2），以便較全面地反映平臺在不同風向下的風載荷特性。

在劃分網(wǎng)格時，先對計算流域四周及頂部邊界面用四邊形單元進行離散，再對海洋平臺外表面用三角形單元進行離散，然后由邊界面和平臺外表面向中間流域生成非結構化空間網(wǎng)格［4］。在計算流域內，靠近平臺外表面處生成較密集的網(wǎng)格，而遠離平臺外表面處生成較稀疏的網(wǎng)格。綜合考慮計算精度和計算量因素，得到體網(wǎng)格單元110萬個左右。

2.2 模擬條件設置

采用RNGk-ε湍流模型對控制方程采用有限體積法進行離散，離散格式采用二階迎風格式；為了防止迭代過程發(fā)散和數(shù)值不穩(wěn)定，對動量方程、標量輸運方程采用了欠松弛技術；壓力速度耦合采用SIMPLE 算法［5］。

（1）入口邊界：風速剖面呈指數(shù)規(guī)律分布，即vh=v10（h／10）α，其中vh為距離海平面h高度處風速；v10為海平面以上10m高度處風速，取該海域百年一遇1min內平均最大風速v10=43.6m／s；h為距離海平面高度；α為地面粗糙度指數(shù)，本文取0.124［6］。平均風速剖面采用Fluent提供的UDF（User-Defined Functions）編程與 Fluent作接口實現(xiàn)。

（2）出口邊界：由于出流接近完全發(fā)展，出口壓力不可預知，故采用完全發(fā)展出流邊界條件。

（3）流域頂部和兩側邊界：由于本文選取的計算流域較大，故頂部和兩側采用對稱邊界條件，相當于自由滑移的壁面。

（4）平臺外表面和海平面：采用無滑移的壁面條件。

圖3 0°風向角工況下導管架平臺表面壓力等值線云圖

3 風載荷數(shù)值模擬結果分析

3.1 三維流場模擬結果分析

圖3為0°風向角工況下導管架平臺表面壓力云圖。圖中數(shù)據(jù)顯示最大正壓出現(xiàn)在平臺的迎風面，并用紅色顯示；最大負壓出現(xiàn)在平臺側面，如起重機和樁腿兩側，并用藍色顯示。隨著顏色從紅變藍，壓力值逐漸減小。其余工況類似。

圖4、5為0°風向角工況下導管架平臺縱橫截面速度矢量圖。由圖中可以看出，在平臺迎風拐角處風的流動極為復雜，充滿著沖撞、分流、渦旋、環(huán)繞和回流；在平臺背風面形成了清晰的漩渦，這些區(qū)域不利于污染物的排放；結構越密集的地方氣流流動越復雜，同時結構與結構之間也相互影響周圍氣流的流動。通過分析其余工況速度矢量圖得知，風向和平臺結構的幾何形狀是影響其周圍流場分布的主要因素。

3.2 風載荷結果分析

在前處理器Gambit中定義邊界條件時，將平臺甲板、井架、起重機、生活區(qū)、樁腿和隔水管等各組塊的表面分別定義為單獨一組固壁，經(jīng)Fluent模擬計算后即可提取各組塊所受風載荷報告。圖6～11為導管架平臺各組塊在不同風向角工況下所受的風載荷曲線。風載荷主要由壓力和粘性力2部分組成。

圖11 導管架平臺隔水管所受風載荷變化曲線

分析圖6～11中導管架平臺各組塊所受風載荷變化曲線可知，同一組塊在不同風向角工況下所受風載荷不盡相同。以甲板為例，0°風向角工況下風載荷為501kN；90°風向角工況下風載荷最大，為1 278kN；180°風向角工況下最小，為432kN。此外得知，迎風面面積大小是決定風載荷的主要因素。

不同組塊受力變化規(guī)律不同，相鄰組塊間存在相互影響。比較圖6～11可發(fā)現(xiàn)，甲板和井架的受力變化規(guī)律比較明顯，在0°與180°、45°與315°、90°與270°、135°與225°這4組風向角工況下，風載荷數(shù)值相差很小，這主要是因為甲板和井架本身幾何結構具有對稱性，相鄰組塊對其影響很小。其余組塊受力曲線變化不規(guī)律的原因主要是由于受相鄰組塊阻擋或干擾較大所引起。分析圖8可知，在0°、180°風向角工況下，起重機風載大小不等，而在這2種風向角工況下起重機迎風面投影面積相同，這說明甲板和生活區(qū)使得起重機周圍的風載流場發(fā)生變化，從而影響了風載荷的大小，即相鄰組塊之間存在相互影響。另外，不同組塊最大受力風向角不一定相同。如起重機最大受力風向角為90°，生活區(qū)最大受力風向角則為225°。因此，研究組塊最大受力風向角意義重大，該風向角工況一般能反映該組塊的承受極限，能夠為組塊設計提供有力依據(jù)。

不同組塊所受風載荷對整個海洋平臺的貢獻比重不一樣。以0°風向角工況為例，平臺總風載荷為1 307kN，其中甲板占38%（為501kN），生活區(qū)占17%（為219kN），井架占15%（為194kN），隔水管占14%（為190kN），樁腿占11%（為146kN），起重機占5%（為61kN）。通過了解載荷比重，可以有意識地對載荷比重較大的組塊進行結構優(yōu)化或合理布置，盡可能地減小風的作用。

導管架平臺總風載荷變化曲線如圖12所示，可見平臺在0°和180°風向角工況下受力較小，相對比較安全，其余工況受力較大且基本相同。因此，在設計新平臺或對現(xiàn)有平臺進行極限風載荷評估時，應綜合考慮平臺總風載荷變化曲線與組塊風載變化曲線，結合該區(qū)域臺風路徑進行比較分析，確定危險工況，最終考慮對薄弱構件進行加固。

圖12 導管架平臺總風載荷變化曲線

3.3 模擬結果分析

為了驗證風載荷數(shù)值模擬的準確性，將模擬結果與現(xiàn)行規(guī)范進行比較分析。API規(guī)范中導管架平臺風力計算公式為

式（5）中：ρ為空氣密度，N／m3；u為風速，m／s；Cs為形狀系數(shù)；A為物體面積，m2。

以導管架平臺甲板受風載荷為例，根據(jù)公式（5），形狀系數(shù)Cs按API規(guī)范中建議值取為1.5，不同風向角工況下甲板風載荷API計算值與模擬值詳細比較情況如圖13所示，可見模擬值與計算值變化規(guī)律相似，驗證了模擬結果的準確性。但是，甲板風載荷API規(guī)范計算值比模擬值更保守，一方面是由于數(shù)字仿真采用了RNGk-ε模型，考慮了臺風風載的湍流特性，這在API公式中沒有體現(xiàn)；另一方面平臺上部組塊相鄰結構物之間的互相干擾，使得風載流場發(fā)生沖撞、分流、回流等現(xiàn)象，這在一定程度上降低了風載作用力，而API規(guī)范中僅考慮結構物的形狀系數(shù)，忽略了結構物之間的相互影響。因此，本文提出的數(shù)值模擬方法具有更高的精度，可為海洋石油平臺抗臺風工程領域的應用提供參考。

圖13 導管架平臺不同風向角工況下甲板風載荷模擬值與API計算值比較

4 結論

（1）風向與平臺結構的幾何形狀是影響其周圍流場分布的主要因素，結構物密集區(qū)或拐角處風的流動極其復雜，結構物背風面一般形成漩渦。因此，基于CFD的數(shù)值模擬方法能夠較好地預測平臺周圍的風環(huán)境狀況，對海洋平臺的布局規(guī)劃具有一定的應用價值。

（2）最大受力區(qū)域通常出現(xiàn)在平臺迎風面上。一般來說，結構物迎風面積與風載荷的大小成正比，同時相鄰組塊間因相互干擾周圍流場分布進而影響受力。因此，在進行平臺設計時，應考慮對迎風面結構進行加固，否則將使結構受風載荷過大引發(fā)損傷。

（3）API規(guī)范計算值與模擬值相比更趨于保守。API規(guī)范中只考慮對受阻擋的結構物使用遮蔽系數(shù)，忽略了上下或左右相鄰結構物之間的互相影響，而CFD數(shù)值模擬方法可以很好地模擬相鄰結構物相互作用，所計算的風載荷具有更高的精度，進一步補充并完善了API規(guī)范。

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