新型深水多立柱FDPSO渦激運動研究進展

谷家揚，吳 介，楊建民

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.上海交通大學海洋工程國家重點試驗室，上海200240)

目前，世界先進國家都將油氣資源開發(fā)的重點投向深海.當今美國深海油氣開發(fā)主要是“浮式鉆采平臺—水下井口—水下生產(chǎn)系統(tǒng)—海底管網(wǎng)”模式，采用干式采油樹鉆采平臺，如深水張力腿平臺和深吃水立柱式平臺等.巴西深海油氣開發(fā)形式則為“半潛式平臺－水下井口－水下生產(chǎn)系統(tǒng)—浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置”模式，采用濕式采油樹鉆采平臺和半潛式平臺.

近幾年國際深海平臺創(chuàng)新概念層出，技術(shù)發(fā)展飛速，而我國深海平臺技術(shù)研究尚處于起步階段，與世界先進水平相比存在較大差距.未來深海油氣資源開發(fā)必將是我國海洋開發(fā)的主戰(zhàn)場，對增強我國國際競爭力，振興民族工業(yè)，保證經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義.

浮式鉆井生產(chǎn)儲油平臺(floating drilling production，storage and offloading，F(xiàn)DPSO)作為一種新型鉆采儲卸一體化平臺，兼具鉆井和生產(chǎn)儲油功能，F(xiàn)DPSO在FPSO基礎(chǔ)上通過增加配置鉆井設(shè)備，使其同時具有FPSO較強的生產(chǎn)儲油特點，同時兼具鉆探、完井的功能，大大縮短了油氣開采周期，降低了投資成本，并且具備井口維修時不停產(chǎn)的特點，必將成為未來我國深水油氣開發(fā)戰(zhàn)略中的重要工具之一.FDPSO結(jié)構(gòu)形式有船型、圓筒型和多立柱型3種(圖1).世界上首座多立柱FDPSO由美國 ATP OIL＆GAS公司投資，在南通中遠船務(wù)工程有限公司興建，該平臺主體為八邊形浮體，下設(shè)4根立柱和2個立管平臺，最大作業(yè)水深3000m.

圖1 3種典型FDPSOFig.1 Three typical FDPSO

1FDPSO升沉補償系統(tǒng)簡介及相關(guān)研究

FDPSO采用獨特的隱藏式立管浮箱(sheltered riser vessel，SRV)升沉補償系統(tǒng)(heave compension system，HCS)或張力腿甲板(tension leg deck，TLD)升沉補償系統(tǒng)，兩種升沉補償系統(tǒng)如圖2所示.FDPSO在深海作業(yè)，環(huán)境惡劣，升沉運動幅度劇烈，傳統(tǒng)液壓式升沉補償裝置已不能滿足需要.Novellent Offshore LLC和SBM公司分別提出了SRV及TLD兩種新型補償系統(tǒng).隱藏式立管浮箱SRV補償系統(tǒng)由浮箱和立管組成，兩者相連，其浮力大于自身重力，通過剩余浮力為立管提供張力，補償平臺主體的垂蕩運動.張力腿甲板(TLD)由甲板、纜繩及重物等組成，下端與海底裝置相連，甲板上端被纜繩拉緊，纜繩連有重物，重物重力提供張力腿張力，從而減小平臺主體的垂蕩運動.

圖2 FDPSO所采用的兩種新型升沉補償系統(tǒng)Fig.2 Two new HCS of FDPSO

國內(nèi)外學者圍繞不同形式的FDPSO水動力性能［1-2］、FDPSO 與系泊系統(tǒng)耦合水動力性能［3-4］、FDPSO與SRV耦合水動力性能［5］、FDPSO與 TLD耦合水動力性能［6-7］、概念設(shè)計、張力系統(tǒng)及立管的渦激振動［8-9］等開展了研究和技術(shù)論證.

多立柱FDPSO概念提出不久，目前尚有諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，多立柱FDPSO非線性渦激特性及運動穩(wěn)定性機理研究就是其中之一.FDPSO作為一種多立柱順應(yīng)式平臺，由于平臺底部環(huán)形浮箱的存在、上下游多立柱流場之間的影響、獨特的升沉補償系統(tǒng)及水動力特性等決定了其渦激運動及運動穩(wěn)定性問題更為復(fù)雜.

2 多立柱海洋平臺繞流特性研究

平臺繞流特性及水動力性能預(yù)報是其渦激運動研究的基礎(chǔ)，但相關(guān)研究較少，多立柱繞流可提供有益參考和借鑒.文獻［10］對多圓柱繞流特性進行了二維、三維數(shù)值模擬及實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re和立柱間距比對尾渦結(jié)構(gòu)有較大的影響，立柱間距比為1.5時，數(shù)值模擬和試驗研究中尾流均表現(xiàn)出明顯的雙穩(wěn)態(tài)特性，當間距比L/D≥2.5時，流場具有一定的對稱性，L/D＜3.5且雷諾數(shù)處于臨界時，上游尾渦結(jié)構(gòu)受到明顯的擠壓變形.K.Lam等［11］2008年分別采用二維及三維數(shù)值模擬方法對四圓柱的繞流特性進行了數(shù)值模擬，重點研究了尾流特性及水動力系數(shù)隨雷諾數(shù)及間距比的變化.Zou Lin等［12］2008 年采用3D LES(large-eddy simulation)湍流模型直接求解NS方程對臨界Re數(shù)等于1.5×104，間距比分別為1.5和3.5的陣列多圓柱繞流進行了數(shù)值模擬和實驗研究，實驗中采用激光測速儀(LDA)及數(shù)字粒子圖像測速儀(DPIV)進行流場觀測，將數(shù)值模擬及實驗得出的水動力系數(shù)、尾渦結(jié)構(gòu)及壓力分布進行了對比.A.Abrishamchi等［13］2012年分別采用LES和URANS(unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes)對張力腿平臺水動力荷載進行了三維數(shù)值計算，自由液面采用VOF法進行模擬，張力腿平臺圓形立柱直徑為9.0m，給出了0o及45o流向下張力腿平臺上游及下游立柱升力系數(shù)及拖曳力系數(shù)的時歷和頻域曲線.

3 多立柱海洋平臺渦激運動研究

平臺主體渦激運動與細長構(gòu)件渦激振動不同.渦激振動(vortex induced vibrations，VIV)指縱橫比很大的細長體如海底管線、立管等在一定速度來流下，由物體背后交替瀉渦導(dǎo)致的脈動壓力而引起的結(jié)構(gòu)振動，工程界研究由來已久;渦激運動(vortex induced motions，VIM)指大尺度平臺主體在強流速度下引起漩渦脫落，從而產(chǎn)生大幅的水平運動，增加系泊系統(tǒng)及立管的載荷，是近幾年來海洋工程界的研究熱點.平臺與細長構(gòu)件相比，具有較小的縱橫比、顯著的剛性特征，以及特有的漂浮特性、錨泊附屬結(jié)構(gòu)，使得平臺渦激運動顯示出與海洋立管等細長體完全不同的運動特征.

美國石油學會在2010規(guī)范中規(guī)定:多立柱浮式海洋平臺例如TLP、半潛平臺以及FDPSO在設(shè)計中必須考慮平臺渦激運動的影響［14］.

單個彈性支撐圓柱渦激運動研究由美國Willamson教授及其團隊［15-16］開創(chuàng)，其對多立柱平臺渦激運動有著重要啟發(fā)和指導(dǎo)作用.Willamson根據(jù)質(zhì)量-無因次阻尼聯(lián)合參數(shù)m*ξ的高低和振幅形狀對不同分支進行了定義，同時對質(zhì)量比分別為2.6和7.0的彈性支撐圓柱的振幅幅值開展了研究.在Williamson研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)學者繼續(xù)對彈性支撐單柱體及多柱體開展了相關(guān)研究.黃智勇［17］、潘志遠［18］等對比了不同質(zhì)量比彈性支撐圓柱在限制流向及不限制流向下的渦激運動特性.梁亮文、萬德成等［19］對均勻流中圓柱的受迫振蕩進行了數(shù)值模擬，研究了圓柱振幅和頻率對圓柱受力及尾渦結(jié)構(gòu)的影響，討論了在鎖定及非鎖定狀態(tài)下升力、拖曳力曲線及渦泄結(jié)構(gòu).鄭德乾、顧明等［20］采用并行計算方法對雷諾數(shù)為200的方柱渦激運動進行了數(shù)值計算，觀察到了“拍”和“鎖定”現(xiàn)象.

近年來，多立柱渦激運動逐漸引起學術(shù)界的關(guān)注，研究熱點聚焦于不同的排列方式(串列、并列及陣列)及間距比對渦激特性的影響［21-22］.徐楓、歐進萍等［23］對間距比為1.5～6.0正三角形排列的圓柱渦激運動進行了數(shù)值模擬，對氣動力響應(yīng)、頻率特性及其下游渦泄結(jié)構(gòu)進行了計算，發(fā)現(xiàn)三圓柱振蕩系統(tǒng)中單個圓柱的橫向振幅遠大于孤立圓柱發(fā)生鎖定時的振幅;同時進一步對長方形排列的四圓柱進行了渦激運動研究［24］，研究表明:上游圓柱的阻力均值和升力脈動值在整個間距范圍內(nèi)大于下游圓柱，上游圓柱橫向振蕩幅值達到了0.82D，D為主柱直徑，遠大于單個圓柱渦激橫向位移值.徐楓、歐進萍等人的研究方法對多立柱渦激運動研究具有重要指導(dǎo)意義，但研究中認為四圓柱之間相對自由，而不是剛性固定，這點與多立柱FDPSO渦激運動有一定區(qū)別.

Ming Zhao等［25］2012年采用雷諾平均法求解NS方程結(jié)合SSTk-ω 湍流模型對為0°，15°，30°，45°流向，間距比等于3，約化速度1～20陣列多圓柱二維渦激運動進行了數(shù)值模擬(圖3).圖3中Ax，Ay分別為沿流向和沿橫向振幅，均為無因次，Vr為無因次速度，α為流向.研究發(fā)現(xiàn):流向?qū)u激運動幅值及鎖定區(qū)間影響很大，不過研究中質(zhì)量比設(shè)為2.0，遠大于FDPSO的質(zhì)量比(FDPSO質(zhì)量比約為1.0)，較難反映FDPSO渦激運動的實際特性，但該成果為FDPSO渦激運動研究提供了有益參考.

目前海洋工程界針對平臺主體渦激運動研究最多、最深入的是單立柱平臺.上海交通大學的楊建民教授［26］、天津大學的唐友剛教授［27-28］、大連理工大學的宗智教授［29］對Spar平臺渦激運動開展了相關(guān)研究.

圖3 文獻［25］中不同約化速度下陣列圓柱渦激運動的計算結(jié)果Fig.3 VIM results of array columns at different reduced velocities in literature［25］

多立柱FDPSO與張力腿平臺以及半潛平臺水下主體結(jié)構(gòu)相似，一般均為四立柱并設(shè)有浮箱，立柱截面形式以圓形和方形為主.鑒于多立柱FDPSO概念提出不久，國際上相關(guān)研究較少，多立柱平臺中的張力腿平臺以及半潛平臺可提供借鑒和參考.

目前，海洋平臺渦激運動數(shù)值模擬主要借助商業(yè)軟件如Fluent、CFX等，但由于計算資源的制約，當前研究停滯于二維仿真階段，三維數(shù)值模擬研究鮮有報道.Jang-Whan Kim 等［30］2011年分別采用AcuSolve及STAR-CCM+軟件對立柱直徑為12.8 m的張力腿平臺渦激運動進行了數(shù)值模擬.針對45°流向，約化速度分別為 8.0，9.5，11.2 時的渦激運動進行了計算，考慮縱蕩、橫蕩及首搖三自由度之間的耦合，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值進行了對比.但不足之處在于:研究中僅計及一個流向和3個約化速度，難以全面歸納多立柱平臺渦激運動規(guī)律.

近年來，國外學者在拖曳水池中對多立柱平臺如FDPSO、張力腿平臺及半潛平臺渦激運動進行了試驗研究.Florus Korbijn等［31］2005年分別采用SESAM軟件對一座八角形FDPSO在頻域和時域內(nèi)的動力響應(yīng)及系泊特性進行了研究，同時在俄羅斯圣彼得堡船舶科學研究中心的水池中進行了試驗研究，并將數(shù)值模擬和試驗結(jié)果進行了對比(圖4).考慮0°及45°流向、5種典型流速，在拖曳水池中對FDPSO的渦激運動進行了研究，并對平臺裝配和運輸問題做了探討.

圖4 文獻［31］中FDPSO渦激運動試驗圖及結(jié)果Fig.4 Experiment figure of FDPSO VIM and results in literature［31］

Olaf J.Waals等［32］2007 年選取4 浮箱深吃水半潛平臺(質(zhì)量比0.83)、4浮箱深吃水張力腿平臺(質(zhì)量比0.57)、4 浮箱經(jīng)典半潛平臺(質(zhì)量比 0.84)、2浮箱典型半潛平臺(質(zhì)量比0.83)對其渦激運動進行了試驗研究(表1，圖5)，旨在探討質(zhì)量比、激勵長度、浮箱、流速及流向?qū)u激運動的影響.

表1 文獻［32］中4種典型半潛平臺及張力腿平臺參數(shù)Table 1 Parameters of four typical semi-submersible and TLP in literature［32］

圖5 文獻［32］中45°流向下采用兩種不同統(tǒng)計方法得到的渦激運動試驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of VIM for 45 deg tow directionby using two different statistical methods in literature［32］

Oriol Rijen等［33］2008年通過模型試驗研究了流及微幅波聯(lián)合作用下四立柱半潛平臺渦激運動的影響.試驗分3步:首先僅考慮流，研究不同流向下的振幅走勢及最大振幅幅值;然后研究波流聯(lián)合作用對渦激運動的影響;最后對半潛平臺附屬結(jié)構(gòu)物、系泊系統(tǒng)及立管阻尼對渦激運動的影響進行了研究.該論文不僅考慮流，同時計及波浪及平臺外部附屬結(jié)構(gòu)物阻尼對渦激運動的影響，可為多立柱FDPSO渦激運動及波浪對渦激運動的影響提供相關(guān)參考.

Yongpyo.Hong等［34］2008 年研究了波浪對深吃水半潛平臺渦激運動影響，認為實測流速可分為平均流速和時變流速.試驗結(jié)果表明:半潛平臺發(fā)生渦激運動時，橫蕩運動響應(yīng)較明顯，橫蕩幅值不僅取決于流速，還與波浪有關(guān)，在強流環(huán)境中，波浪越小，運動幅值越大.

Jimmy Ng K.T 等［35］2010 年對僅考慮波、流以及波流聯(lián)合作用下多立柱平臺進行試驗研究，研究了上游立柱尾流對下游立柱的影響及下游立柱的動力特性.

Allan Magee 等［36］2011 年對一座由 Shell及Technip公司共同投資的工作于東南亞海域的張力腿平臺渦激運動進行了試驗，圖6為該平臺在某拖曳水池中的試驗圖片，圖7為試驗相關(guān)裝置的原理圖.首先進行Decay實驗以確定平臺固有周期及無因次衰減系數(shù)等重要參數(shù);然后進行渦激運動試驗，重點考察流速、流向、無因次吃水(吃水比立柱特征長度)對渦激運動的影響;最后給出了渦激運動響應(yīng)時歷曲線、縱蕩及橫蕩運動軌跡.總之，當前多立柱平臺渦激運動實驗主要在拖曳水池中進行，采用空壓彈簧模擬系泊系統(tǒng)及采用拖車模擬來流速度，難以從本質(zhì)上揭示深水海洋環(huán)境中海洋平臺渦激運動特性.

圖6 Steven Leverette在拖曳水池中進行的張力腿模型試驗裝置Fig.6 Devices figure of TLP model test in towing tank by Steven Leverette

圖7 Steven Leverette在模型試驗中采用的倒置壓縮彈簧原理Fig.7 Schematic of model test with inverted compression spring system by Steven Leverette

4 結(jié)論

深水多立柱FDPSO渦激運動機理是非常復(fù)雜的流固耦合問題，涉及到外部粘性邊界層的模擬、耦合運動方程的求解、UDF程序的開發(fā)、動網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用、邊界條件的設(shè)置等關(guān)鍵問題.當前，數(shù)值模擬研究受到計算資源的制約，停滯于二維仿真階段，三維數(shù)值模擬研究較少.模型試驗研究均在拖曳水池中進行，忽略了FDPSO與升沉補償系統(tǒng)(SRV或TLD)耦合，系泊系統(tǒng)、立管渦激振動對平臺渦激運動的影響，部分模型試驗平臺質(zhì)量比與實際相差較大，試驗結(jié)果難以使人信服，而目前多立柱平臺渦激運動特性大多是建立在模型試驗基礎(chǔ)之上得到的定性結(jié)論，其外部海洋環(huán)境、平臺主體結(jié)構(gòu)、升沉補償系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)及平臺自身動力特性對渦激運動內(nèi)在影響的定量預(yù)報尚未揭示，因此，我國迫切需要進一步深入完善多立柱FDPSO渦激運動的數(shù)值計算及試驗研究，揭示FDPSO非線性渦激運動的形成、發(fā)展、演化、穩(wěn)定機理，建立定量預(yù)報數(shù)學模型.

深水多立柱FDPSO渦激運動研究可以采用CFD數(shù)值模擬及模型試驗兩種手段，圍繞如下關(guān)鍵科學問題進行深入和系統(tǒng)研究:1)波流聯(lián)合作用下深水多立柱FDPSO復(fù)雜繞流特性及水動力性能預(yù)報;2)深水多立柱FDPSO耦合流場計算流體動力學建模與渦激運動特性分析;3)基于復(fù)雜耦合多因素下的深水多立柱FDPSO渦激運動定量表達及預(yù)報;4)深水多立柱FDPSO渦激運動非線性運動穩(wěn)定性分析及混沌動力學研究.從而揭示FDPSO平臺渦激運動與其獨有的升沉補償系統(tǒng)、立柱截面形式、立柱間距比、來流速度與流向、吃水深度等多因素之間的定量函數(shù)關(guān)系，為有效控制多立柱FDPSO的渦激運動問題以及提出適合多立柱FDPSO渦激運動的減渦裝置奠定技術(shù)基礎(chǔ).

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