基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的海洋平臺(tái)燃爆數(shù)值建模優(yōu)化研究

朱 淵, 師吉浩, 陳國(guó)明, 張肖錦, 郭子琛, 謝 鑌

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島 266580; 2.杰斯康軟件有限公司, 上海 200135)

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的海洋平臺(tái)燃爆數(shù)值建模優(yōu)化研究

朱 淵1, 師吉浩1, 陳國(guó)明1, 張肖錦1, 郭子琛1, 謝 鑌2

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島 266580; 2.杰斯康軟件有限公司, 上海 200135)

海洋平臺(tái)燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一是數(shù)值模型的建立,然而由于沒(méi)有網(wǎng)格、障礙物擁塞度等的統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn),難以保障超壓載荷結(jié)果預(yù)測(cè)精度。基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論離散超壓及其影響因素的數(shù)學(xué)物理方程,構(gòu)建超壓后果集、模型集與工況條件集;進(jìn)而借助拉丁超立方抽樣,抽取不同工況條件組成的向量空間,以此進(jìn)行模型建立的網(wǎng)格優(yōu)化、物理模型優(yōu)選方案及相似增補(bǔ)方案的分析;最后,以模型預(yù)測(cè)與理論模型結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為優(yōu)化結(jié)果考核指標(biāo),獲取具有良好工程適用性的數(shù)值網(wǎng)格尺寸、障礙物刪減尺寸等。結(jié)果表明:海洋平臺(tái)燃爆數(shù)值模型核心區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.2 m;對(duì)于在役階段的平臺(tái),建模過(guò)程中可直接忽略等效直徑小于0.06 m的障礙物,可采用均勻圓管替代等效直徑小于0.08 m的障礙物;對(duì)概念設(shè)計(jì)階段的平臺(tái),可將等效直徑為0.08 m的圓管用于數(shù)值建模,代表平臺(tái)擁塞度,從而實(shí)現(xiàn)在保障超壓預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上較大程度地減輕建模工作量。

數(shù)值模型; 障礙物; 優(yōu)化方法; 相似原理; 燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析

海洋平臺(tái)油氣開(kāi)采過(guò)程面臨重大的燃爆風(fēng)險(xiǎn),70%的海洋平臺(tái)事故由燃爆導(dǎo)致[1-2]。平臺(tái)工藝設(shè)備密集,由此造成的受限區(qū)域障礙物成為燃爆事故后果加劇、引發(fā)災(zāi)難的潛在隱患[3-4]。震驚世界的Piper Alpha平臺(tái)油氣燃爆事故表明油氣燃燒火焰可在平臺(tái)擁塞區(qū)域障礙物的激勵(lì)作用下產(chǎn)生湍流效應(yīng),隨之產(chǎn)生的爆炸超壓載荷超過(guò)了關(guān)鍵設(shè)備承受極限,引發(fā)多米諾效應(yīng),最終平臺(tái)沉沒(méi)、報(bào)廢。目前,在海洋平臺(tái)運(yùn)行全階段(概念設(shè)計(jì)階段、在役階段),均須開(kāi)展燃爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為油氣安全開(kāi)采提供技術(shù)保障。該評(píng)價(jià)的核心在于準(zhǔn)確獲得燃爆造成的超壓載荷,其受平臺(tái)環(huán)境空間影響顯著,須建立真實(shí)反映研究對(duì)象障礙物擁塞程度的試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)或CFD模型[3]。其中,試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蛇€原燃爆火焰激勵(lì)場(chǎng)景,但因其花費(fèi)高、危險(xiǎn)性大,通用性和重復(fù)性不強(qiáng),多用于基礎(chǔ)研究,無(wú)法工程推廣;常用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]如TNT、TNO,在描述障礙物對(duì)火焰燃燒加速過(guò)程方面存在顯著不足,超壓結(jié)果精確度差,在海洋工程風(fēng)險(xiǎn)實(shí)踐領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先的美國(guó)、挪威等,已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)放棄[6-7]。隨著流體動(dòng)力學(xué)的不斷發(fā)展,CFD技術(shù)在預(yù)測(cè)油氣燃爆超壓方面取得了大量試驗(yàn)和理論驗(yàn)證,在海洋平臺(tái)燃爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到廣泛的重視和應(yīng)用,其可通過(guò)建立數(shù)值模型,求解有限體積方程,描述火焰燃燒速率在障礙物作用下的加速效應(yīng),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)爆炸超壓。FLACS作為采用CFD技術(shù)開(kāi)展燃爆評(píng)價(jià)的領(lǐng)先系統(tǒng),得到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、專(zhuān)家學(xué)者的大量研究和應(yīng)用。英國(guó)健康安全管理局通過(guò)對(duì)Buncefield油庫(kù)爆炸事故的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)設(shè)備周?chē)嗄緟驳日系K物是導(dǎo)致爆炸超壓升級(jí)的重要因素,并借助FLACS工具驗(yàn)證了此結(jié)論[8]。Hansen等[9-12]驗(yàn)證了FLACS火焰加速求解器在預(yù)測(cè)不同擁塞度下爆炸超壓的準(zhǔn)確性,強(qiáng)調(diào)障礙物等因素對(duì)結(jié)果的影響程度。翟良云等[13-14]針對(duì)不同對(duì)象借助FLACS,開(kāi)展燃爆后果評(píng)價(jià)研究。由于燃爆評(píng)價(jià)結(jié)果受模型反映周邊環(huán)境空間精細(xì)程度的顯著影響,在FLACS應(yīng)用中超壓預(yù)測(cè)結(jié)果很難得到保障。鑒于此,筆者基于FLACS,對(duì)影響模型預(yù)測(cè)精度的網(wǎng)格尺寸等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析,開(kāi)展海洋平臺(tái)數(shù)值建模優(yōu)化方案研究。

1 氣體燃爆的數(shù)學(xué)模型

1.1 可燃?xì)庠迫急鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ?/p>

海洋平臺(tái)油氣開(kāi)采過(guò)程中的燃爆事故,一般由泄漏可燃?xì)怏w與空氣混合,形成可燃?xì)庠?再遇點(diǎn)火源引發(fā)。由于氣云活性較弱,不易集中等特點(diǎn),且多被弱點(diǎn)火源(靜電、火花)點(diǎn)燃,可燃?xì)怏w爆炸初期,火焰面近似光滑,且以層流狀態(tài)進(jìn)行傳播,火焰?zhèn)鞑ニ俾嗜Q于燃料類(lèi)型、初始?jí)毫Φ纫蛩?方程為

(1)

式中,SL為層流狀態(tài)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?m/s;S0為層流狀態(tài)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?m/s;rp為基于燃料的參數(shù);p為燃燒產(chǎn)生的壓力,kPa;p0為大氣壓力,kPa。

隨后,受瑞利-泰勒效應(yīng)等因素影響,火焰燃燒面產(chǎn)生不穩(wěn)定性漩渦,火焰面發(fā)生曲皺,并呈半層流狀態(tài),火焰不斷受到障礙物阻礙,瑞利-泰勒效應(yīng)顯著,半層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài),傳播速率及燃燒面積顯著加大,爆炸超壓也隨之增大。此階段基于Bray提出的簡(jiǎn)化模型[15]得到火焰速率方程為

(2)

式中,ST為湍流狀態(tài)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?m/s;u′為平均速度,m/s;l1為火焰?zhèn)鞑ラL(zhǎng)度,m。

整個(gè)燃爆過(guò)程滿(mǎn)足質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及組分守恒方程,且火焰燃燒過(guò)程包含在守恒方程中。

1.2 預(yù)測(cè)可燃?xì)庠迫急瑝豪硐肽Ｐ?/p>

超壓壓力波與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g存在相互激勵(lì)效應(yīng),同時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾视质艿秸系K物等因素的影響,故將超壓看作障礙物等影響因素綜合作用的結(jié)果,表示為

p∝f(ST)=f(x1,x2,x3,…,xn).

(3)

Eggen等[16]基于相似原理,通過(guò)開(kāi)展均勻圓管障礙物下的爆炸試驗(yàn),獲取爆炸超壓與可燃物成分、點(diǎn)火源位置、區(qū)域受限程度、障礙物擁塞度等因素相關(guān)性關(guān)系,由此給出了GAME模型,用于預(yù)測(cè)油氣工藝區(qū)域燃爆超壓。

在低點(diǎn)火能、不受限空間下,

(4)

在低點(diǎn)火能、空間受兩個(gè)平行板約束條件下,

(5)

式中,Δp0為受限區(qū)域最大超壓,kPa;MVBR為擁塞度,即受限區(qū)域內(nèi)障礙物與整個(gè)空間的體積比;D為障礙物平均直徑,m;Lf為爆炸火焰涉及的最遠(yuǎn)距離,受點(diǎn)火源位置及可燃?xì)庠企w積影響,m;S1為層流狀態(tài)可燃?xì)庠苹鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾?m/s。

2 數(shù)值建模優(yōu)化方案

為研究式(3)中各個(gè)影響因素對(duì)以式(1)、(2)為理論基礎(chǔ)的數(shù)值模型的影響,首先,離散超壓及其影響因素,分別構(gòu)建超壓后果集P、數(shù)值模型集。然后,進(jìn)一步離散數(shù)值模型集為模型集F(如代表障礙物擁塞程度的物理模型集)及工況條件集N(如可燃?xì)庠瞥煞旨?。由此過(guò)程,可將超壓后果集P視為由模型集F與工況條件集N耦合作用的結(jié)果,表示為

P∝F?N.

(6)

2.1 模型集建立

模型集F包含物理模型集、網(wǎng)格集、邊界條件集等子集合。分析物理模型集F1與網(wǎng)格集G,其中物理模型集F1包括物理模型尺寸集A(研究區(qū)域長(zhǎng)、寬、高),障礙物平均截面積集B,擁塞度集C。表示為

F={A,B,C,G},

(7)

其中

B={0≤lb≤lbmax} ,

C={0≤lc≤1} ,

G={0≤lg≤lgmax} .

用于優(yōu)化方案研究的物理模型如圖1所示。其中,圖(a)、(b)分別為無(wú)受限、受兩個(gè)平行板約束條件下的理想模型,由正交均勻敷設(shè)的圓管組成;圖(c)為由實(shí)際海洋平臺(tái)建立的精細(xì)物理模型,擁塞區(qū)域主要集中在上層甲板、中層甲板及下層甲板之間,同時(shí)此部分建模工作量大且耗時(shí)耗力,故為優(yōu)化方案的研究對(duì)象。為驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性,引入FLACS的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見(jiàn)圖(d)、(e),此模型按照實(shí)際海洋平臺(tái)油氣處理模塊建立[18]。各模型集尺寸等見(jiàn)表1。

圖1 物理模型集Fig.1 Geometry set

模型尺寸(x,y,z)擁塞度障礙物平均截面積/m21(80,80,80)0.10.52(80,80,80)0.10.53(32,24,8)0.10.34(26,8,8)0.090.25(28,12,8)0.080.2

2.2 工況條件集建立

工況條件集N包含可燃?xì)庠瞥叽缂疉2(可燃?xì)庠频拈L(zhǎng)、寬、高),可燃?xì)庠瞥煞旨疊2,可燃?xì)庠莆恢眉疌2,點(diǎn)火源位置集D2等子集合;其中可燃?xì)庠瞥叽缂疉2、可燃?xì)庠莆恢眉疌2、點(diǎn)火源位置集D2由三維笛卡爾坐標(biāo)系確定,表示為

N={A2,B2,C2,D2} .

(8)

采用拉丁超立方抽樣,抽取工況集中4個(gè)子集,離散為8個(gè)向量空間,每個(gè)向量下任意抽取50個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),獲取400個(gè)爆炸超壓值,用于相關(guān)性計(jì)算。拉丁抽樣相對(duì)于傳統(tǒng)抽樣方法,通過(guò)將樣本空間進(jìn)行分層的形式,利用“抽樣不替換”技術(shù),避免了局部聚焦的缺陷,同時(shí)提升了獲取代表各分層空間樣本值的取樣效率。以可燃?xì)怏w尺寸集A2為例進(jìn)行抽樣展示,圖2為抽樣結(jié)果分布情況。

圖2 可燃?xì)怏w尺寸集取樣點(diǎn)分布Fig.2 Sampling distribution of dimensional set of flammable gas

2.3 數(shù)值建模優(yōu)化方案

優(yōu)化方案流程如下:

(1)對(duì)網(wǎng)格集G進(jìn)行優(yōu)化。首先以無(wú)約束的模型1與兩端約束的模型2為對(duì)象,基于GAME模型,確定最優(yōu)網(wǎng)格尺寸的大致范圍;其次以真實(shí)海洋平臺(tái)3為對(duì)象,進(jìn)行網(wǎng)格敏感度分析,最終確定適用于實(shí)例模型的最優(yōu)網(wǎng)格尺寸。

(2)對(duì)物理模型集F1進(jìn)行優(yōu)選方案分析,確定可刪減的障礙物尺寸。首先,在獲取的最優(yōu)網(wǎng)格尺寸基礎(chǔ)上,以實(shí)例模型為對(duì)象,建立精確、詳細(xì)的數(shù)值模型;其次,采用拉丁超立方抽樣,在N集中隨機(jī)取樣,建立工況條件矩陣,由CFD計(jì)算獲得燃爆超壓矩陣P0;然后,將集B,集C離散化,以Δs為基準(zhǔn)對(duì)障礙物進(jìn)行刪減,對(duì)應(yīng)減少的擁塞度為Δv,并計(jì)算刪減iΔs對(duì)應(yīng)障礙物的平均直徑Di;最后獲取各刪減模型的超壓矩陣Pi,并與P0進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算,根據(jù)相關(guān)性大小,確定刪減尺寸,表示為

B={lb-Δs,lb-2Δs,…,lb-iΔs} ,

(9)

(10)

其中

iΔs=π(Di/2)2,

(11)

(3)針對(duì)各刪減模型,進(jìn)行相似增補(bǔ)方案分析,即根據(jù)相似原理,進(jìn)行增補(bǔ)均勻圓管工作,還原刪減模型的擁塞程度。首先,設(shè)置均勻圓管直徑為Di,分別以擁塞區(qū)域的長(zhǎng)xa、寬ya、高za為圓管的長(zhǎng)度,并由刪減的擁塞度分別計(jì)算不同長(zhǎng)度圓管的個(gè)數(shù)ni;其次,將3種不同的圓管均勻鋪設(shè)在刪減區(qū)域,形成3種增補(bǔ)方案,通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲取每種方案超壓矩陣Pi,j;最后,通過(guò)計(jì)算P0進(jìn)行相關(guān)性分析,獲取合理的增補(bǔ)圓管布置方案,表示為

Δv=niπ(Di/2)2(xa;ya;za) ,

(12)

(13)

3 數(shù)值建模優(yōu)化結(jié)果

以圖1中模型1、2、3為對(duì)象,確定合理的網(wǎng)格尺寸、合理的刪減障礙物尺寸及合理的增補(bǔ)圓管布置方案。

3.1 網(wǎng)格敏感度分析

使用模型1、2,結(jié)合GAME模型對(duì)比,獲取最優(yōu)網(wǎng)格范圍。圖3為不同網(wǎng)格時(shí)燃爆超壓與GAME模型的相關(guān)性計(jì)算結(jié)果。由圖3可得,隨著網(wǎng)格尺寸的減小,相關(guān)系數(shù)R2增大,且網(wǎng)格在0.2～0.5 m,GAME模型在低點(diǎn)火能、不受限空間下,相關(guān)系數(shù)R2在0.9附近,相關(guān)性顯著;而網(wǎng)格為0.5 m時(shí),在低點(diǎn)火能、空間受兩個(gè)平行板約束條件下,相關(guān)系數(shù)R2接近0.8,顯著效果低于模型1,這可能是由GAME理想模型本身的缺陷所致[16]。

由GAME模型獲取的網(wǎng)格最優(yōu)范圍,以原模型3為對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格敏感度分析,獲得適用于實(shí)際模型的最優(yōu)網(wǎng)格尺寸。不同網(wǎng)格時(shí)不同甲板區(qū)域隨機(jī)選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆炸超壓結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的敏感程度如圖4所示。由圖4可得,隨著網(wǎng)格尺寸減小,網(wǎng)格密度增大,兩種實(shí)際模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大超壓均趨于減小,且減小程度逐漸降低,尤其網(wǎng)格由0.2 m降低為0.1 m時(shí),超壓變化不大,然而網(wǎng)格尺寸的降低增加了計(jì)算時(shí)間,不便于工程應(yīng)用。建議研究模型核心區(qū)域取0.2 m網(wǎng)格。

圖3 不同網(wǎng)格下FLACS燃爆超壓與GAME模型相關(guān)性結(jié)果Fig.3 Correlation of overpressure between FLACS and GAME under different grids

圖4 不同網(wǎng)格下原模型3不同甲板區(qū)域的隨機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)超壓敏感度對(duì)比Fig.4 Grid sensitivity analysis on overpressures from monitors of different modules of geometry 3

3.2 優(yōu)選方案分析

選取模型3,設(shè)置核心網(wǎng)格、邊界條件等構(gòu)建數(shù)值模型,并計(jì)算拉丁抽樣獲取的工況條件下燃爆超壓值,構(gòu)建超壓矩陣P0;將模型3的集合B離散,設(shè)置Δs,并從小到大依次刪減,獲取對(duì)應(yīng)的超壓矩陣Pi,由式(13)計(jì)算與矩陣P0的相關(guān)性。

以刪減障礙物截面積分別為0.002 5、0.003、0.005、0.008、0.01及0.025m2為例進(jìn)行分析,獲取的超壓矩陣為

圖5為相關(guān)性計(jì)算結(jié)果。由圖5可知,隨著刪減障礙物尺寸不斷增大,研究區(qū)域擁塞區(qū)域MVBR下降,爆炸超壓也隨之降低,刪減障礙物截面積為0.002 5 m2,即將平均直徑小于0.06 m的障礙物尺寸進(jìn)行刪減,模型所得超壓與原模型的相關(guān)性系數(shù)R2約為0.91,具有顯著的相關(guān)性。刪減障礙物截面積為0.005 m2,即將平均直徑小于0.08 m的障礙物全部刪減,超壓結(jié)果與原模型的相關(guān)性系數(shù)R2低于0.8,顯著性不滿(mǎn)足工程要求。將平均直徑小于0.12、0.20 m的障礙物刪減后,相關(guān)性為負(fù)相關(guān),與實(shí)際差別較大。由此可見(jiàn),爆炸超壓對(duì)平均直徑小于0.06 m的障礙物敏感程度較小,建模時(shí)可對(duì)這部分障礙物進(jìn)行刪減。對(duì)于尺寸大于0.06 m的障礙物,如若進(jìn)行刪減,須進(jìn)行相似增補(bǔ)方案分析,進(jìn)而確定合理的刪減模型。

圖5 模型優(yōu)選分析結(jié)果Fig.5 Results of optimized method

3.3 相似增補(bǔ)方案分析

基于優(yōu)化方案,在研究區(qū)域均勻敷設(shè)長(zhǎng)度分別為擁塞區(qū)域長(zhǎng)、寬、高的圓管,由此構(gòu)建3種增補(bǔ)方案,以還原擁塞度。以刪減障礙物截面積為0.002 5 m2的模型進(jìn)行分析,如圖6所示。各個(gè)方案的相關(guān)性系數(shù)均在0.9以上,均能達(dá)到預(yù)期效果。

表2為6種刪減模型增補(bǔ)圓管后,獲取的超壓矩陣與原矩陣的相關(guān)性結(jié)果。由表2可見(jiàn),刪減障礙物截面積在0.005 m2以下時(shí),通過(guò)增補(bǔ)方案,相關(guān)性系數(shù)在0.9以上,說(shuō)明刪減直徑小于0.08 m并增補(bǔ)對(duì)應(yīng)直徑的圓管是可行的。

表2 三種增補(bǔ)方案相關(guān)性系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of correlation coefficients for three different laying schemes

圖6 模型相似增補(bǔ)方案結(jié)果Fig.6 Result of supplementary plan

4 實(shí)例應(yīng)用及其驗(yàn)證

選取海洋平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、5,對(duì)上述優(yōu)化尺寸進(jìn)行驗(yàn)證,首先將兩個(gè)模型中小于0.06、0.08 m的障礙物進(jìn)行刪減,結(jié)果如圖7所示。刪減尺寸為0.06 m時(shí),相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,刪減模型與原模型相關(guān)性顯著;而刪減尺寸為0.08 m時(shí),相關(guān)系數(shù)約為0.6,相關(guān)性不顯著。此時(shí)通過(guò)增補(bǔ)方案,對(duì)刪減尺寸為0.08 m的模型進(jìn)行擁塞度還原,結(jié)果如圖8所示。相關(guān)系數(shù)均約0.9,3種增補(bǔ)方案獲取的模型與原模型相關(guān)性顯著,驗(yàn)證了優(yōu)化尺寸的準(zhǔn)確性。由此,對(duì)于在役階段海洋平臺(tái),在開(kāi)展燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí),可忽略等效直徑小于0.06 m的障礙物,并將等效直徑小于0.08 m的障礙物用對(duì)應(yīng)尺寸的圓管代替,以減輕建模工作量,并能保證結(jié)果精度。

圖7 模型優(yōu)選方案應(yīng)用驗(yàn)證Fig.7 Validation of optimized method

圖8 模型相似增補(bǔ)方案應(yīng)用驗(yàn)證Fig.8 Validation of supplementary plan

對(duì)于概念設(shè)計(jì)階段海洋平臺(tái),由于缺少詳細(xì)的信息,一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)的方法設(shè)置圓管,代表區(qū)域擁塞程度。根據(jù)平臺(tái)的相似性[3],給出了不同平臺(tái)的擁塞度定義,即每立方米體積內(nèi)圓管的長(zhǎng)度值,但沒(méi)有給出對(duì)應(yīng)的圓管直徑。推薦以直徑為0.08 m的圓管表征平臺(tái)擁塞度,研究設(shè)備布局合理性。

5 結(jié) 論

(1)在保障超壓結(jié)果準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上,基于FLACS的海洋平臺(tái)燃爆數(shù)值模型核心區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.2 m。

(2)對(duì)海洋平臺(tái)在役階段的燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析中,建議直接忽略等效直徑小于0.06 m的障礙物,并將等效直徑小于0.08 m的障礙物用對(duì)應(yīng)尺寸的圓管代替,既簡(jiǎn)化建模工作量,又可準(zhǔn)確還原擁塞度。

(3)可將等效直徑為0.08 m的圓管用于概念設(shè)計(jì)階段的燃爆數(shù)值建模,用以代表平臺(tái)擁塞程度,以快速開(kāi)展燃爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),獲取最優(yōu)設(shè)備布局形式。優(yōu)化方案合理可行,建模指標(biāo)具有工程適用性。

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(編輯 沈玉英)

Optimized scheme of numerical modeling for explosion of offshore platforms based on mathematical statistics

ZHU Yuan1, SHI Jihao1, CHEN Guoming1, ZHANG Xiaojin1, GUO Zichen1, XIE Bin2

(1.CenterforOffshoreEngineeringandSafetyTechnologyinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.GexconChina,Shanghai200135,China)

The numerical modeling is one of the key foundations for the explosion risk assessment of offshore platforms. However, there is a lack of unified modelling standards for grid size, obstruction congestion etc., and thus the prediction accuracy of the explosive overpressure is difficult to guarantee. This paper aims to propose a procedure to derive the optimized numerical modelling scheme based on the statistics theory. Firstly, the numerical equations of the overpressure and its influencing factors are discretized to get the overpressure set, model set and condition set. Then, the analysis of the grid optimization, physical model optimization and similar supplementary plan is carried out based on the vector space derived from the Latin hypercube sampling of condition set. At last, the correlation coefficient between the results of numerical model and theoretical model is used to determine the suitable grid size, the equivalent diameter of deleted obstacle for engineering. The result shows that the size of the grid in the core area of the numerical model for explosion risk assessment of offshore platforms is recommended as 0.2 m. For the platform in service, the obstacles with equivalent diameter less than 0.06 m can be ignored during modelling, and the obstacles with equivalent diameter less than 0.08 m can be replaced by the equivalent uniform tubes.For the platform under design, the tube with diameter of 0.08 m can be used to represent the congestion of the platform. The conclusion can help to reduce the workload of modelling while ensuring the accuracy of overpressure prediction.Keywords:numerical model; obstacle; optimization method; similarity principle; explosion risk analysis(ERA)

2016-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579246);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(15CX05018A,15CX05003A,16CX06019A);工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2016]24號(hào))

朱淵(1982-),男,副教授,博士,研究方向?yàn)橛蜌獍踩こ?。E-mail:zhy3323@163.com。

1673-5005(2017)04-0132-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.017

TE 58;X 93

A

朱淵,師吉浩,陳國(guó)明,等. 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的海洋平臺(tái)燃爆數(shù)值建模優(yōu)化研究[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,41(4):132-139.

ZHU Yuan, SHI Jihao, CHEN Guoming, et al. Optimized scheme of numerical modeling for explosion of offshore platforms based on mathematical statistics[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017,41(4):132-139.