基于OpenFOAM軟件CFD模擬的海上平臺上塔設(shè)備內(nèi)收集器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧 臣

上海蘇爾壽工程機(jī)械制造有限公司 （上海 201306）

地球上75%以上的表面是海洋，其中蘊(yùn)藏著巨大的資源，包括石油、天然氣等。隨著人們對海洋世界探索的增加及陸地資源的不斷減少，海底資源不斷被發(fā)掘利用。目前陸地上的石油開采及提煉設(shè)備已經(jīng)非常成熟；而海上平臺上的開采及提煉設(shè)備由于受到海水流動(dòng)的干擾，各內(nèi)件的性能大受影響，導(dǎo)致塔設(shè)備的整體效率降低。

關(guān)于海上平臺上氣液兩相流的研究，大多集中于內(nèi)部流場[1]與外部流場[2-5]，同時(shí)模擬晃動(dòng)的平臺與內(nèi)部氣液兩相流的文獻(xiàn)不多。本文針對海上平臺不斷晃動(dòng)的特點(diǎn),通過利用開源計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件OpenFOAM模擬其上塔設(shè)備內(nèi)收集器中氣液兩相的流動(dòng)，對塔設(shè)備中收集器的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證及優(yōu)化。收集器作為塔設(shè)備中的常用部件，承擔(dān)著收集并預(yù)分布液體、重新分布?xì)怏w的作用。液體與氣體在收集器各自的流道內(nèi)互不干擾，才能達(dá)到最優(yōu)的效果。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 物理模型

圖1所示為一款收集器，液體經(jīng)過上部的填料進(jìn)入收集器后再預(yù)分布，氣體從收集器的底部沿直立管向上進(jìn)入上部填料，氣體與液體在填料中進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。在收集器的直立管上端加一個(gè)帽子，防止上部流下的液體直接進(jìn)入氣體通道。收集器在正常工作時(shí)，通常會(huì)有一定量的液體聚集在其底部。由于海上平臺的晃動(dòng)，收集器中的液體也會(huì)隨之流動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到晃動(dòng)的液體不能從氣體通道（直立管）溢出，只能從底部的降液管流出，這樣才能完全發(fā)揮收集器的作用。在進(jìn)行氣液兩相流的數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，為簡化計(jì)算，需要對模型進(jìn)行簡化。氣體通道上的直立管帽不作考慮，即直立管上部密封，不考慮流入的氣體；收集器上部流下的液體也不作考慮，即頂部密封，只考慮收集器內(nèi)的氣體和液體。

圖1 收集器平面圖

1.2 數(shù)值模型

用Solidworks對收集器進(jìn)行整體三維建模后，采用OpenFOAM自帶的 blockMesh和sanppy－HexMesh工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主的混合網(wǎng)格。為提高精度，對直立管、交界面及近壁區(qū)域采取網(wǎng)格加密處理。收集器網(wǎng)格如圖2所示：總共有795632個(gè)網(wǎng)格；網(wǎng)格最大縱橫比為11.890 3，最大體積為5.694 81e-06，最小體積為4.013 06e-08；非正交性檢查通過，網(wǎng)格最大扭曲為3.161 48。

圖2 收集器模型及網(wǎng)格

1.3 平臺運(yùn)動(dòng)模型

海上平臺的6自由度運(yùn)動(dòng)即為沿著x，y，z軸3個(gè)方向的平動(dòng)和繞3個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其相關(guān)研究有很多，包括數(shù)值模擬研究與實(shí)驗(yàn)研究。海上平臺6自由度的運(yùn)動(dòng)（見圖3）可以定義為振幅為A，角頻率為ω和相位為φ的正玄曲線運(yùn)動(dòng)，ω=2π/t（t代表時(shí)間周期），運(yùn)動(dòng)形式可以表示如下：

圖3 6自由度運(yùn)動(dòng)

（1）平移運(yùn)動(dòng)

（2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可改寫成坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，見式（7）。

該轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)在模擬中被定義為時(shí)間和空間的函數(shù)。本CFD模擬中只考慮海上平臺常見的3個(gè)自由度方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。參考坐標(biāo)的中心點(diǎn)是整個(gè)海上平臺的重心點(diǎn)，同時(shí)考慮了平臺整體的相對運(yùn)動(dòng)。瞬態(tài)模擬運(yùn)動(dòng)的參數(shù)如表4所示。

表4 瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

由于3個(gè)運(yùn)動(dòng)的周期比較相似，為找出危險(xiǎn)時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，模擬周期必須包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)的周期。計(jì)算周期采用3種運(yùn)動(dòng)周期的最小公倍數(shù)，即模擬時(shí)間為110 s，這樣既能計(jì)算整個(gè)大周期內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，也能盡可能地減少計(jì)算時(shí)間，以便更快地得到結(jié)果。

1.4 流動(dòng)模型和邊界條件

整個(gè)海上平臺的重心相對于收集器模型的坐標(biāo)是（-75 m，-20 m，-41.5 m），氣液兩相流的模擬采用流體體積函數(shù)（VOF）多相流模型[6]進(jìn)行。由于平臺隨海浪做周期性運(yùn)動(dòng)，故模擬采用瞬態(tài)模擬，流體模型采用k-ω湍流模型。迭代殘差的收斂判據(jù)為1e-5，壁面無滑移邊界。氣體、液體的物性參數(shù)如表5所示。

收集器中液體的最高液位隨時(shí)間的變化如圖4所示，液位為0的位置表示收集器的甲板底部，直立管高度為400 mm，整個(gè)收集器的高度為520 mm。初始液位為相對于收集器甲板及中央主槽底部分布均勻的液體位置，高度為16 mm，如圖5所示（底部陰影表示初始液體部分）。

表5 氣液物性參數(shù)

圖4 液位高度參考圖

圖5 初始液位（底部陰影部分為液體）

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過模擬可以得出不同時(shí)間點(diǎn)內(nèi)收集器液體的最高液位，如圖6所示。

3 評估及優(yōu)化

CFD模擬結(jié)果顯示，由于海上平臺周期性的晃動(dòng)，收集器內(nèi)液體也隨之運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)大周期內(nèi)，液體的最高液位在最初幾秒內(nèi)劇烈波動(dòng)，隨后減弱，然后隨著時(shí)間延長波動(dòng)越來越劇烈，在30～70 s之間達(dá)到最高值，之后液體流動(dòng)趨于平緩，最高液位降低。在整個(gè)晃動(dòng)周期內(nèi)，液體有溢流進(jìn)入氣體通路的風(fēng)險(xiǎn)，最高液位可達(dá)520 mm，高于直立管的高度（400 mm），甚至到達(dá)收集器的頂部。

圖6 收集器內(nèi)液位隨時(shí)間的變化情況

根據(jù)以上結(jié)果，對收集器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在底部中央主槽分別增加兩塊豎直板，其高度與主槽平齊，下面留有20 mm的間隙，這樣既能有效阻止主槽內(nèi)液體的過快累積，又能方便主槽底部液體的擴(kuò)散流動(dòng)。

優(yōu)化后的模型見圖7，共796 582個(gè)網(wǎng)格；網(wǎng)格最大縱橫比為11.890 3，最大體積為5.725 55 e-06，最小體積為4.013 06e-08；非正交性檢查通過，網(wǎng)格最大扭曲為3.16148。

圖7 優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)

再次模擬后，得到的結(jié)果如圖8所示，收集器內(nèi)的瞬時(shí)最高液位得以大幅度降低，直立管溢流的風(fēng)險(xiǎn)也大大降低，最高液位只有0.348 m，小于直立管高度，可保證收集器正常工作。

4 結(jié)論

通過CFD模擬對海上平臺塔內(nèi)收集器內(nèi)的三維流場進(jìn)行可視化研究，根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化方案。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化方案具有顯著的削波穩(wěn)流作用，能有效抑制收集器內(nèi)液體的波動(dòng)，從而減少了溢流的風(fēng)險(xiǎn)，提高了塔設(shè)備的工作效率。目前，塔設(shè)備工作狀況良好。

圖8 優(yōu)化后收集器內(nèi)液位隨時(shí)間的變化情況

在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用CFD方法，可以快速進(jìn)行分析驗(yàn)證，提出優(yōu)化方案并進(jìn)行模擬，從而大大縮短開發(fā)設(shè)計(jì)周期、節(jié)省開發(fā)費(fèi)用并保證產(chǎn)品質(zhì)量，其分析結(jié)果對于設(shè)計(jì)開發(fā)人員優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

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