排煙煙流影響下的海洋平臺(tái)氣流場(chǎng)形態(tài)仿真

張文國(guó)，陸 超

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

海洋平臺(tái)多在開闊海域長(zhǎng)期工作，易遭遇各種形式的海上氣流變化，而形成不同的氣流場(chǎng)特性。在國(guó)內(nèi)外海洋平臺(tái)常規(guī)設(shè)計(jì)流程中，通常都只對(duì)平臺(tái)進(jìn)行單一空氣來(lái)流成分的風(fēng)載荷試驗(yàn)和計(jì)算，未考慮煙流條件下平臺(tái)整體的氣流場(chǎng)特性。

實(shí)際作業(yè)中，由于有持續(xù)排煙(如發(fā)電機(jī)組排煙、火炬塔燃燒熱流等)存在，會(huì)對(duì)海洋平臺(tái)甲板面氣流場(chǎng)環(huán)境造成如下影響。

首先，如煙流隨來(lái)流向作業(yè)甲板面擴(kuò)散，會(huì)污染露天工作區(qū)域的空氣環(huán)境，高溫、高硫氣體也會(huì)對(duì)表面油氣作業(yè)安全造成潛在危害;

其次，如煙流擴(kuò)散至直升機(jī)飛行甲板及周邊區(qū)域會(huì)造成直升機(jī)起降區(qū)氣流速度場(chǎng)不均勻，易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不穩(wěn)定以及風(fēng)力切變等情況，不利于航空安全作業(yè)［1－2］。

隨著現(xiàn)代海洋平臺(tái)深水化、大型化和多功能化，平臺(tái)甲板面作業(yè)設(shè)施更加復(fù)雜多樣，以及直升機(jī)等裝備的普及應(yīng)用，受海上環(huán)境條件變化造成氣流場(chǎng)潛在安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。

有鑒于此，本文在常規(guī)艦船氣流場(chǎng)仿真研究方法的基礎(chǔ)上［3－4］初步考慮排煙煙流與空氣來(lái)流的交互作用，進(jìn)行海洋平臺(tái)排煙狀態(tài)下的氣流場(chǎng)仿真方法的初步探索，并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行初步的對(duì)比分析，并總結(jié)現(xiàn)有方法的局限和下一步需要展開的工作。

1 計(jì)算方法總體思路

本文參考艦船氣流場(chǎng)仿真計(jì)算的思路［5］，采用三維建模－網(wǎng)格劃分－ 計(jì)算模型選?。?定義邊界條件－ 仿真結(jié)果分析的基本步驟［6－7］展開工作。同時(shí)，在建模及計(jì)算時(shí)考慮本文研究的環(huán)境條件特點(diǎn)。

為保證海上作業(yè)精度，通常采用系泊或動(dòng)力定位系統(tǒng)控制相對(duì)固定的姿態(tài)。在此情況下，平臺(tái)的受風(fēng)姿態(tài)是相對(duì)固定的，但海上風(fēng)向隨機(jī)可變。因此，為獲得平臺(tái)流場(chǎng)較完整的形態(tài)，在定義來(lái)流方向時(shí)，應(yīng)考慮周向不同角度的來(lái)流情況。

本文重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域是平臺(tái)露天各部位以及直升機(jī)飛行甲板附近區(qū)域，在確定計(jì)算域大小時(shí)，在保證來(lái)流和去流方向空間充足的前提下應(yīng)選擇適當(dāng)尺度即可。

由于海洋平臺(tái)上層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各類甲板面設(shè)施尺度差異較大，宜選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域需進(jìn)行加密。

Ansys 軟件平臺(tái)是目前在流場(chǎng)仿真領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的仿真計(jì)算平臺(tái)［7］，且在艦船仿真中已實(shí)際應(yīng)用并驗(yàn)證了趨勢(shì)和數(shù)據(jù)的擬合性。

綜合考慮上述因素，本文確定以Ansys 軟件為平臺(tái)，建立適當(dāng)尺度三維計(jì)算域，定義煙流和空氣流2 種流體介質(zhì)，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行多風(fēng)向來(lái)流計(jì)算的總體思路。

2 建模及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算的三維平臺(tái)為一種雙浮筒、四立柱半潛式平臺(tái)。平臺(tái)上層建筑位于主甲板以上，參考平臺(tái)布置相關(guān)原則［4］對(duì)稱分布;2 塊直升機(jī)飛行甲板從主甲板后方伸出，按縱向?qū)ΨQ布置;平臺(tái)設(shè)有4部排煙管，等距對(duì)稱分布于2 塊直升機(jī)平臺(tái)之間，排煙口中軸線向下與水平面呈45°角。平臺(tái)主尺度如表1 所示。

表1 平臺(tái)主尺度Tab.1 Main dimensions of platform

三維建模及網(wǎng)格劃分在Ansys ICEM 中進(jìn)行，海洋平臺(tái)三維模型如圖1 所示。排煙管分布狀態(tài)如圖2 所示。

圖1 海洋平臺(tái)三維模型Fig.1 3D Model in ICEM

圖2 排煙管分布狀態(tài)Fig.2 Exhaust tubes

本文計(jì)算狀態(tài)為海洋平臺(tái)半潛吃水狀態(tài)，因此建模完畢后，需將平臺(tái)吃水以下部分刪除，并建立計(jì)算域。為保證各方向來(lái)流和去流方向均充分流動(dòng)，本文采用矩形計(jì)算域，其中底面及頂面呈正方形，邊長(zhǎng)為五倍平臺(tái)長(zhǎng)度(575 m);側(cè)面為矩形，高度約為2 倍平臺(tái)高度(50 m)。模型及計(jì)算域建立如圖3 所示。

模型及計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，為保證平臺(tái)附近的計(jì)算精度，對(duì)平臺(tái)排煙管部分及后方區(qū)域的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)量約330萬(wàn)級(jí)。

圖3 計(jì)算域建模狀態(tài)Fig.3 Calculation box

圖4 排煙管網(wǎng)格加密及添加密度盒Fig.4 Intensify of tunnels and density box

3 湍流模型及邊界條件選取

3.1 湍流模型選取

煙流在來(lái)流空氣中的交互作用是較為復(fù)雜的問題，且海上實(shí)際來(lái)流的隨機(jī)性強(qiáng)。為便于方法初步探索，保證計(jì)算精度，本文采用的是理想化計(jì)算條件:

1)來(lái)流空氣視為不可壓縮流體，且符合Boussinesq 假設(shè)，其密度變化僅對(duì)浮力產(chǎn)生影響;

2)排煙煙流視為穩(wěn)態(tài)湍流，暫不計(jì)入粘性力做功引起的熱耗散。

在目前已有的湍流計(jì)算模型中，兩方程模型在工程中使用最為廣泛，最基本的兩方程模型是標(biāo)準(zhǔn)k -ε 模型［8－9］，是在一方程模型的基礎(chǔ)上，新引入關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε 的方程后形成。相比其他湍流模型，kε 模型在仿真計(jì)算中應(yīng)用最廣，且與本文理想化計(jì)算條件相適應(yīng)，因此本論文選用標(biāo)準(zhǔn)k - ε 模型。

在該模型中，湍流中單位質(zhì)量流體脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率，對(duì)于高雷諾數(shù)的各向同性湍流流動(dòng)中:

假設(shè)對(duì)單位體積的流體，從較大的渦向較小的渦傳遞能量的速率正比于ρk，而反比于傳遞時(shí)間;另外，傳遞時(shí)間與湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺l 成正比，與湍流脈動(dòng)速度成反比，于是有:

湍流耗散率為:

與此同時(shí)，k 方程式(2)可改寫為:

3.2 邊界條件選取

本文參照艦船空氣流場(chǎng)計(jì)算方法定義空氣來(lái)流邊界條件。首先定義平臺(tái)方位坐標(biāo)系為以海平面為基面的右手三維坐標(biāo)系，z 軸垂直向上，xy 平面坐標(biāo)系定義如圖5 所示。

圖5 海洋平臺(tái)xy 平面坐標(biāo)系Fig.5 Coordinate system of xy plan

來(lái)流方向風(fēng)向角按照xy 平面x 軸所指順時(shí)針為正，以45° 間 隔 分 別 定 義0°，45°，90°，135°，180°，－135°，－90°，－45°共計(jì)7 個(gè)工況。

本文定義2 個(gè)入口邊界條件，分別是空氣來(lái)流入口邊界條件和煙流入口邊界條件。空氣來(lái)流入口邊界條件為均勻來(lái)流，入口速度為10 m/s，溫度為25℃，入口風(fēng)向角按照各工況給定風(fēng)向角設(shè)置;煙流入口邊界條件定義為煙流組分均勻來(lái)流，入口速度為40 m/s，溫度為65℃，出口風(fēng)向始終垂直于排煙口平面。

考慮到充分觀察去流方向的氣流場(chǎng)形態(tài)，本文的出口邊界設(shè)定為相對(duì)壓力0 Pa。

固壁面邊界條件主要在海洋平臺(tái)和底面定義。

4 仿真計(jì)算及結(jié)果初步分析

4.1 仿真計(jì)算

仿真計(jì)算在Ansys FLUENT 中進(jìn)行，計(jì)算步長(zhǎng)為100步。使用工作站配置為四核、8G 內(nèi)存普通臺(tái)式工作站，單個(gè)工況計(jì)算時(shí)長(zhǎng)約180 min。圖6 為計(jì)算收斂情況。

圖6 FLUENT 計(jì)算收斂情況Fig.6 Iteration plan

計(jì)算完成后在Ansys CFD－Post 中進(jìn)行結(jié)果后處理。

4.2 仿真結(jié)果初步分析

由于邊界條件按照理想化條件選取，因此本文所述仿真計(jì)算在完成全部流程的基礎(chǔ)上僅進(jìn)行形態(tài)定性分析。

4.2.1 各工況氣流場(chǎng)總體形態(tài)分析

各工況氣流場(chǎng)總體形態(tài)如圖7 所示。

圖7 0°風(fēng)向角氣流場(chǎng)形態(tài)Fig.7 Air flow at WOD 0°

由圖7 可知，平臺(tái)正迎風(fēng)風(fēng)向時(shí)，尾部排煙隨來(lái)流對(duì)稱向后擴(kuò)散，并形成尾渦系，速度伴隨渦系向后延伸逐漸減少，未與平臺(tái)發(fā)生接觸。

圖8 －45°風(fēng)向角氣流場(chǎng)形態(tài)Fig.8 Air flow at WOD－45°

由圖8 可知，當(dāng)來(lái)流方向發(fā)生一定偏角時(shí)，尾部排煙也向去流一側(cè)偏移，但由于平臺(tái)氣隙產(chǎn)生了渦流和減速作用，靠近平臺(tái)氣隙渦流的煙流形成渦流較為明顯，并有繞向立柱的趨勢(shì)。

圖9 －90°風(fēng)向角氣流場(chǎng)形態(tài)Fig. 9 Air flow at WOD－90°

由圖9 可知，當(dāng)來(lái)流方向?yàn)檎龣M方向時(shí)，尾部排煙進(jìn)一步向去流一側(cè)偏移，并開始繞向左舷立柱，并在繞過立柱后形成明顯的渦流且已遠(yuǎn)離直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域。

圖10 －135°風(fēng)向角氣流場(chǎng)形態(tài)Fig.10 Air flow at WOD－135°

由圖10 可知，當(dāng)來(lái)流為斜后方向時(shí)，尾部排煙開始繞過一側(cè)立柱向前方擴(kuò)散，并部分穿過平臺(tái)氣隙區(qū)域。

圖11 180°風(fēng)向角氣流場(chǎng)形態(tài)Fig.11 Air flow at WOD180°

由圖11 可知，尾煙排出后即被來(lái)流帶向平臺(tái)氣隙區(qū)域，并逐漸形成對(duì)稱渦流向后方擴(kuò)散，此時(shí)整個(gè)氣隙區(qū)域均充滿了煙流，但未對(duì)直升機(jī)飛行甲板造成影響。

本文通過仿真還發(fā)現(xiàn)，由于平臺(tái)整體布置縱向?qū)ΨQ，對(duì)稱正角來(lái)流工況的數(shù)值仿真結(jié)果與負(fù)角來(lái)流工況的數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)稱，因此此處不再冗述。

4.2.2 部分工況局部剖面形態(tài)仿真分析

為進(jìn)一步觀察流場(chǎng)形態(tài)，了解煙流擴(kuò)散對(duì)直升機(jī)起降區(qū)域的影響，本文還截取了風(fēng)向角為－90°和－135°等2 個(gè)較惡劣工況下平臺(tái)飛行甲板區(qū)域流場(chǎng)剖面仿真結(jié)果，并在圖中作出直升機(jī)軌跡線輔助觀察分析。

圖12 －90°風(fēng)向角飛行甲板剖面速度場(chǎng)形態(tài)Fig.12 Heli-deck section air flow at WOD－90°

由圖12 可知，橫向來(lái)流時(shí)，出口處煙流排出后距離直升機(jī)甲板，在上層建筑附近有渦流存在但并未擴(kuò)散至直升機(jī)平臺(tái)區(qū)域。

圖13 －135°風(fēng)向角飛行甲板剖面速度場(chǎng)形態(tài)Fig.13 Heli-deck section air flow at WOD－135°

由圖13 可知，受側(cè)后方來(lái)流的影響，可觀察到排出煙流隨來(lái)流穿過平臺(tái)氣隙，并未向直升機(jī)甲板擴(kuò)散。在此工況下，雖然不會(huì)對(duì)直升機(jī)起降區(qū)域產(chǎn)生明顯影響，但考慮到平臺(tái)底部可能布置有孔洞，或鉆采型平臺(tái)留有月井等開口，排煙中高溫高毒性粒子在氣隙區(qū)域內(nèi)有可能向這些孔洞擴(kuò)散，有可能對(duì)安全和平臺(tái)人員活動(dòng)環(huán)境造成潛在影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文通過參考艦船空氣流場(chǎng)研究的方法，綜合考慮海洋平臺(tái)排煙及其海上作業(yè)特點(diǎn)，初步探索了一種考慮煙流的氣流場(chǎng)形態(tài)仿真方法。通過初步仿真計(jì)算和分析，可得出以下結(jié)論:

1)使用數(shù)值仿真手段對(duì)海洋平臺(tái)的廢氣排煙氣流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，方法和流程可行。

2)對(duì)計(jì)算邊界條件進(jìn)行了適當(dāng)理想化設(shè)置，后續(xù)研究中應(yīng)適當(dāng)考慮能量交換作用及其他計(jì)算因素。

3)當(dāng)海洋平臺(tái)采用向下排煙方式時(shí)，煙流在定常來(lái)流環(huán)境中通常不會(huì)對(duì)上部甲板面作業(yè)產(chǎn)生影響，但當(dāng)平臺(tái)具有立管機(jī)構(gòu)或其他設(shè)施穿過氣隙區(qū)域時(shí)，應(yīng)考慮煙流的潛在危害。

向下排煙方式可屏蔽排煙對(duì)平臺(tái)上部氣流場(chǎng)的影響，但也存在一定的潛在危害，本文排煙管采用雙段折角形式，出口按照垂直方向夾角30°向下排煙，后續(xù)可通過改變排煙管長(zhǎng)度及出煙角度分析相關(guān)規(guī)律變化?？紤]到海洋平臺(tái)也有采用上部排煙形式的實(shí)例，該形式對(duì)平臺(tái)周邊氣流場(chǎng)特性的影響也可作為進(jìn)一步研究的方向予以考慮。

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