流體粘性對半潛式平臺氣隙量的影響研究

王志東， 莊麗帆， 凌宏杰， 戴 挺， 陳茂僑

(1.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.大連船舶重工集團設計研究所，遼寧 大連116052)

流體粘性對半潛式平臺氣隙量的影響研究

王志東1， 莊麗帆1， 凌宏杰1， 戴 挺2， 陳茂僑1

(1.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.大連船舶重工集團設計研究所，遼寧 大連116052)

為了探究半潛式平臺在工作海況下氣隙量的變化情況，該文基于勢流理論和粘流理論開展了在不同有義波高、譜峰周期和浪向角下共計29個工況下的半潛式平臺氣隙量的數(shù)值預報。數(shù)值計算結(jié)果表明：粘、勢流理論計算的氣隙量隨著影響因素的變化具有相同的變化趨勢，但粘流理論計算的負氣隙量普遍大于勢流理論，且在平臺下甲板邊緣和立柱周圍處負氣隙分布差別較大。這是由于粘流理論在求解時綜合考慮了入射波、繞射波、輻射波的波形疊加及波浪沿立柱的爬高效應，對半潛式平臺的設計具有指導意義。

半潛式平臺；氣隙；勢流理論；粘流理論

0 前言

氣隙規(guī)定為海洋平臺下層甲板底部至波面間的垂直距離，平臺初始氣隙則定義為下層甲板至靜水面的垂直距離。平臺氣隙是研究浮式平臺安全性能的重要因素，它是半潛平臺設計過程中需要考慮的關(guān)鍵問題之一，因此，對氣隙量進行比較準確的預報對于平臺的設計有著重要的意義。

對于半潛式平臺氣隙問題的研究，在勢流理論方面，Sweetman和Wimerstein等[1～3]對平臺氣隙響應水池模型實驗數(shù)據(jù)進行了整理和分析，提出了適用于平臺初期設計和終期設計的預報方法。Stansberg[4]等人利用勢流軟件WIMIT對半潛式平臺周圍的波高和氣隙響應進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)線性方法過于低估了平臺的相對波面升高，而二階非線性方法在一些情況下能基本滿足工程預報的要求。Kazemi和Incecik[5,6]采用兩種數(shù)值模型計算平臺的氣隙響應：第一種為完全線性的直接邊界元方法，第二種為混合邊界元方法。初步對半潛式平臺進行了氣隙性能預報，提出波陡較小時可采用線性方法進行計算。馬巍巍、余建星、于皓[7]對一座Truss Spar平臺的氣隙進行了數(shù)值預報，發(fā)現(xiàn)平臺的垂蕩運動是影響氣隙性能的主要因素。陶晶晶[8]利用國外水池模型試驗數(shù)據(jù)對氣隙響應進行預測，并與多種預測模型的數(shù)值預測結(jié)果進行了對比，因而引入了三個理論模型。蔣安[9]分析了一、二階勢流理論在預報平臺氣隙響應時的可靠性、優(yōu)劣性，以及其中的原因和規(guī)律。

在粘流理論方面，Lwanowski[10]等利用ComFLOW軟件通過求解N-S方程結(jié)合改進的VOF方法預報了平臺的氣隙性能并捕捉平臺周圍的波浪爬坡和上浪現(xiàn)象。曾志[11]等利用氣隙響應的數(shù)值計算，與試驗結(jié)果進行對比，提出高階散射和立柱處的波浪爬升效應對氣隙的影響不可忽略。梁修鋒[12]等人采用粘流軟件FLUENT對半潛平臺在某極端惡劣波浪環(huán)境條件下的氣隙分布進行了數(shù)值預報。張磊[13]主要研究了入射波、繞射波、輻射波以及平臺運動對氣隙響應的貢獻和影響，同時指出，入射波對總波浪高程貢獻最大，其次是繞射波，輻射波貢獻最小。單鐵兵[14]對深海半潛式平臺氣隙、波浪爬升、砰擊及上浪問題進行了研究，結(jié)果表明位于平臺前立柱和后立柱迎浪面附近下甲板的零氣隙次數(shù)最多，其中靠近后立柱迎浪面位置的波浪砰擊次數(shù)約為前立柱迎浪面位置的數(shù)倍。

該文分別運用AQWA軟件采用基于三維勢流理論、三維頻域Greeen函數(shù)分布源法和在FINE/Marine軟件中選用三維非定常分離隱式求解器，k-ωSST模型、采用上風格式離散求解RANS方程對半潛式平臺在29種海況下的氣隙響應進行了數(shù)值計算，探討了流體粘性對半潛式平臺氣隙量預報結(jié)果的影響。

1 半潛式平臺模型的建立

該文目標平臺是半潛式平臺，工作水深為250m，平臺的主要參數(shù)見表1。

表1 半潛式平臺主尺度

圖1 半潛式平臺主視圖

坐標系定義如圖1、圖2所示，其中Z軸垂直于水線面，方向向上，半潛式平臺的三維建模如圖2所示。

圖2 半潛式平臺俯視圖

圖3 半潛式平臺幾何模型圖

2 半潛式平臺網(wǎng)格的劃分

勢流理論計算時，半潛式平臺表面網(wǎng)格的劃分由于AQWA軟件計算網(wǎng)格數(shù)量的局限性，劃分了三套網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格敏感性研究最終采用上疏下密的劃分方式，上部網(wǎng)格長度為1.5 m，下部網(wǎng)格長度為1 m，網(wǎng)格數(shù)為14 108。半潛式平臺表面網(wǎng)格分布如圖4所示。

粘性流體選用在FINE/Marine軟件的HEXPRESS模塊進行網(wǎng)格劃分。設置長為415 m(約5 L)，寬為232 m(約3 L)，高為90 m(約L)的方形計算域，平臺的位置處于距計算域入水口處約3 L，距計算域外側(cè)約L，距計算域頂部約0.5 L處的中心位置上。劃分的四套0°浪向角網(wǎng)格，經(jīng)過軟件中網(wǎng)格質(zhì)量的檢查和敏感性分析，該文對半潛式平臺模型采用自由液面和局部網(wǎng)格加密。5個浪向角的網(wǎng)格數(shù)量均為300萬左右，90°浪向角網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 基于AQWA軟件的平臺表面網(wǎng)格分布圖 圖5 基于FINE/Marine軟件的平臺表面網(wǎng)格分布圖

3 半潛式平臺計算工況的設定

圖6 平臺下甲板觀測點布置圖

半潛式平臺工作水深為250 m，有義波高Hs=10m，譜峰周期Tp=14.1s、12.8s、11.8s、10.6s；有義波高Hs=8m，譜峰周期Tp=9.5s、10.1s，浪向角β=0°、30°、45°、60°、90°，共計29個工況下半潛式平臺氣隙量的數(shù)值預報。

浪向角是指浪向與x軸正向的夾角，如圖2所示。為便于觀測半潛式平臺在各工況下的氣隙變化量，在平臺下甲板上布置了88個觀測點，觀測點主要位于平臺下甲板的邊緣、立柱周圍及平臺幾何中心處，觀測點分布如圖6所示。其中勢流理論計算中所選用的34個觀測點，對稱取自這88個點。

該半潛式平臺的系泊系統(tǒng)選用8根錨鏈線，在平臺的每個立柱的拐角處分別設置2根。勢流軟件中對系泊采用懸鏈線方式，而粘流軟件對系泊采用彈性錨定，即兩端采用錨、系泊點定位，并設置剛度及預應力。圖7介紹了系泊系統(tǒng)中使用的錨鏈線及其編號，表2為半潛式平臺懸鏈線的參數(shù)。

圖7 懸鏈線的設定示意圖

表2 半潛式平臺懸鏈線參數(shù)

4 基于粘流及勢流理論的半潛式平臺負氣隙量預報結(jié)果對比分析

通過勢流軟件、粘流軟件對半潛式平臺氣隙的計算，根據(jù)觀測點氣隙量的統(tǒng)計對比分析，得出相同工況下勢流理論與粘流理論計算半潛式平臺的負氣隙量。平臺最大氣隙對比圖如圖8所示。

從圖8中可以看出：粘、勢流理論計算出的負氣隙量值的整體趨勢近似相同；負氣隙量隨著波浪譜峰周期和有義波高的增加而增加，且在平臺垂向固有周期11 s附近發(fā)生共振現(xiàn)象，垂蕩運動較為劇烈，在有義波高H1/3=10m，浪向角β=0°時，負氣隙值分別達到6.81m、8.79m。然而從整體看來，粘流理論計算出半潛式平臺的負氣隙量普遍大于勢流理論的計算結(jié)果。

對觀測點比較后可以發(fā)現(xiàn)，負氣隙預報結(jié)果相差量值較大的觀測點均處于平臺下甲板的邊緣和立柱周圍的外角隅處。但其中存在部分不符規(guī)律的奇點，這是由于在粘流軟件數(shù)值模擬中，當波浪對下甲板產(chǎn)生砰擊時，并沒有考慮下甲板的限制，而在勢流軟件中則不會出現(xiàn)波浪沖破下甲板現(xiàn)象。

同時可以發(fā)現(xiàn)，在有義波高8m的情況下(最大波高為12m)，如圖8(a)、(c)、(e)、(g)、(i)所示，負氣隙相差量值在0.02m～3.62m，約占最大波高的0.2%～30%；在有義波高10m的情況下(最大波高為15m)，如圖7(b)、(d)、(f)、(h)、(j)所示，負氣隙差量值在0.27～5.71m左右，約占最大波高的2%～ 38%，用于描述波浪爬坡高度導致負氣隙量值的增加幅度。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是波浪的高階散射和某一瞬間流體與立柱或甲板邊緣處的耦合作用引起飛濺或波浪爬坡效應對氣隙的影響不可忽略。而粘流軟件利用高品質(zhì)網(wǎng)格和高精度的自由液面捕捉技術(shù)考慮了入射波、繞射波、輻射波疊加后的波面，以及波浪沿立柱的爬高、飛濺及砰擊等強非線性作用，進一步惡化了平臺的生存環(huán)境。而勢流軟件無法處理波形的疊加和波浪沿立柱的爬高，使得粘流理論計算出半潛式平臺的負氣隙量普遍大于勢流理論的計算結(jié)果。

圖9給出了相同工況下AQWA軟件與FINE/Marine軟件計算出的負氣隙對比云圖。從圖9(a)、(b)、(c)中的上半圖可以看出，勢流理論計算出的負氣隙量在半潛式平臺上的分布呈現(xiàn)出左右對稱，且平臺偏向中后部負氣隙量值最小，在平臺迎浪和背浪處負氣隙量值較大；從圖9(a)、(b)、(c)中的下半圖可以看出，粘流理論計算出的負氣隙量在半潛式平臺上的分布與勢流理論計算出的負氣隙量在半潛式平臺上的分布近似相同。其中，在半潛式平臺中心區(qū)域的分布負氣隙量大致相同，差別較大的主要是在平臺下甲板四周邊緣位置和立柱周圍，尤其是立柱的外角隅區(qū)域。在有義波高H1/3=10m，譜峰周期Tp=12.8s，浪向角β=0°的高海況下，粘流理論計算得到立柱處的負氣隙值近高達5m以上，遠遠超過勢流理論計算所得，故高階散射和立柱處的波浪爬升效應對氣隙的影響不可忽略。

圖8 基于粘流及勢流理論的氣隙對比分析圖

圖9 基于粘流及勢流理論的負氣隙云圖

圖10 某一時刻平臺波浪耦合圖

圖10給出了基于粘流理論的半潛式平臺與波浪耦合響應。從圖10中可以看出，平臺周圍的波形與平臺六自由度運動存在顯著的耦合現(xiàn)象。

5 結(jié)論

該文重點分析了勢流及粘流對平臺氣隙量預報結(jié)果的影響。結(jié)果表明：

(1) 粘、勢流理論計算負氣隙量值的整體趨勢近似相同，但粘性流體計算軟件計算的負氣隙量值普遍大于勢流軟件的計算結(jié)果。

(2)粘、勢流理論計算出的負氣隙量在半潛式平臺上的分布近似相同，但粘流理論計算得到的平臺下甲板邊緣和立柱周圍處較于其中間區(qū)域更容易出現(xiàn)負氣隙。在高海況下，粘流理論計算得到立柱處的負氣隙值近高達5m以上，遠遠超過勢流理論計算所得。

(3)粘性流體中的高階散射和立柱處的波浪爬升效應對平臺氣隙的影響不可忽略，尤其是波浪爬坡、飛濺和砰擊等非線性作用。在有義波高8m的情況下，粘、勢流理論計算的負氣隙相差量值約占最大波高的0.2%～30%；在有義波高10m的情況下，負氣隙差量值約占最大波高的2%～38%。因此在計算過程中，必須要考慮粘流的影響。

(4)粘性流體在求解時還綜合考慮了入射波、繞射波、輻射波的波形疊加及波浪沿立柱的爬高效應，而勢流理論無法處理波形疊加和波浪沿立柱的爬高。

因此，粘性流體對半潛式平臺氣隙預報結(jié)果的影響較大，伴隨出現(xiàn)波浪爬坡、砰擊、飛濺等強非線性特性，有必要深入開展粘性流場中半潛式平臺氣隙規(guī)律的預報研究及相關(guān)模型試驗研究，以探明飛濺、砰擊等局部瞬態(tài)強非線性對平臺氣隙統(tǒng)計特性分析的影響。

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The Effects of Fluid Viscosity to the Air Gap of the Semi-submersible Platform

WANG Zhi-dong1, ZHUANG Li-fan1， LING Hong-jie1，DAI Ting2， CHEN Mao-qiao1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China; 2.Dalian Shipbuilding Industry Group, Design Institute, Liaoning Dalian 116052, China)

When the semi-submersible platform is in the working sea conditions, in order to explore the changes of the amount of its air gap, the numerical prediction of the air-gap response is carried out based on potential flow theory and viscous flow theory respectively in this paper. There are in total 29 kinds calculation conditions in different sea conditions and wave angles. The results show that: the overall trend of the negative air gap is the same on the order of magnitude as the change of influencing factors. But the magnitude of the negative air gap calculated by the viscous flow theory is more than the potential flow theory. And the negative air gap distributed on the edge of the platform deck and around the columns had significant difference. in solving the incident, diffracted waves, wave superposition of waves along the column and climb effect radiation waves. This is due to viscous flow theory considering the addition of waveforms including incident wave, diffracted wave and radiated wave and the climb effect of waves along the column. So the air gap response numerical prediction can provide a reference basis for engineering design.

semi-submersible platform; air gap; potential flow theory; viscous flow theory

2014-09-22

王志東(1967-)，男，教授。

1001-4500(2015)04-0057-07

P75

A