基于現(xiàn)場實測的渤海風(fēng)速特性研究

張延濤，呂柏呈，武文華，孫劉璐

(1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459; 2. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

風(fēng)荷載是影響海洋結(jié)構(gòu)物運動行為的主要環(huán)境因素。風(fēng)速特征參數(shù)是海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計和失效分析的重要依據(jù)。對于在役海洋平臺監(jiān)測，風(fēng)荷載是評估平臺服役狀態(tài)的主要參數(shù)[1-2]。在我國渤海海域，有大量的軟剛臂系泊系統(tǒng)服役。軟剛臂系泊系統(tǒng)良好的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，使系泊系統(tǒng)對風(fēng)荷載更加敏感。

對風(fēng)荷載的研究，現(xiàn)階段主要有風(fēng)洞實驗，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測。由于理論簡化和縮比效應(yīng)的影響，風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬仍無法真實還原結(jié)構(gòu)在真實海況下受到的海洋環(huán)境荷載?；诂F(xiàn)場實測信息，對渤海海域的風(fēng)速特性進行分析，能夠有效地還原現(xiàn)場信息，為海洋平臺的服役安全和設(shè)計提供參考。

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，以及各海域的獨特性，海洋工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能成為國內(nèi)外海洋開發(fā)公司和科研機構(gòu)的重視。樊哲良[3]分析了風(fēng)荷載導(dǎo)致的FPSO尾甩現(xiàn)象給軟剛臂系泊系統(tǒng)帶來的安全隱患。歐進萍等[4]利用環(huán)渤海12個氣象臺站的數(shù)據(jù)對渤海海域風(fēng)特性進行了統(tǒng)計分析，得到了渤海遼東灣疲勞風(fēng)速的概率分布和分布參數(shù)。杜宇等[5-6]利用海洋平臺監(jiān)測系統(tǒng)對南海臺風(fēng)期間的強風(fēng)場特性進行分析，為南海海域抗風(fēng)研究提供了重要參考。齊義泉等[7]利用GEOSAT衛(wèi)星高低計數(shù)據(jù)，計算了南海海區(qū)風(fēng)速的季平均時空分布，分析了風(fēng)速統(tǒng)計特征。王佳瑩等[8]基于法國衛(wèi)星中心(Aviso)的Ssalto/Duacs多任務(wù)高度計資料,利用EOF方法對我國南海風(fēng)場進行了年際變化特征進行了分析。Schroeder和Smith[9]通過實測數(shù)據(jù)，對風(fēng)場經(jīng)驗功率譜和強風(fēng)環(huán)境能量分布的估計進行了誤差分析。

下文利用軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場原型監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)渤海海域的風(fēng)速場的長期實測，積累了大量的現(xiàn)場風(fēng)速數(shù)據(jù)。利用Davenport風(fēng)剖面，計算了結(jié)構(gòu)在10 m高度的風(fēng)速時程。利用極值Ⅰ型分布獲得了渤海海域多年一遇的風(fēng)速值?；诒O(jiān)測時程，計算了年最大風(fēng)速時程的脈動風(fēng)分量，驗證了脈動分量的高斯性。計算湍流強度和陣風(fēng)因子，對比湍流強度和陣風(fēng)因子的關(guān)系?？紤]高頻分量在計算風(fēng)速空間積分尺度的影響，利用小波變換對高階近似分量和細節(jié)分量進行計算，獲得脈動風(fēng)速的縱向及橫向空間積分尺度。對比經(jīng)驗脈動風(fēng)譜與實測脈動風(fēng)譜，證明Davenport風(fēng)速譜能夠較好地擬合渤?，F(xiàn)場風(fēng)速場。

1 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

自2012年，中海石油有限公司天津分公司與大連理工大學(xué)合作，在我國渤海海域多艘FPSO上建立了軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)。由于軟剛臂系泊系統(tǒng)的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，及對風(fēng)速測量的精度要求，將風(fēng)速風(fēng)向儀置于無遮擋的系泊支架頂部中央位置，垂向距FPSO甲板23 m。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 1 Field monitoring system

利用監(jiān)測系統(tǒng)的GPS和INS對平臺位置和船艏向進行測量(式(1))，實時計算在役結(jié)構(gòu)的相對風(fēng)速風(fēng)向和絕對風(fēng)速風(fēng)向。

(1)

其中，vr為傳感器測量的相對風(fēng)速值，θ為FPSO艏向角，vt為真實風(fēng)速值。風(fēng)速風(fēng)向儀位于距海平面高度為39 m，利用Davenport風(fēng)剖面指數(shù)律(式(2))將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)高度10 m的風(fēng)速時程。

(2)

2 風(fēng)特征參數(shù)

風(fēng)特征參數(shù)是風(fēng)壓計算，風(fēng)荷載模擬和海洋平臺抗風(fēng)性能研究的重要參考指標(biāo)。從實測記錄可以看出，風(fēng)速由長周期部分(平均風(fēng))和短周期部分(脈動風(fēng))組成。對基本風(fēng)速，我國規(guī)范采用10 m為標(biāo)準(zhǔn)高度，規(guī)定平均風(fēng)時距為10 min。本節(jié)對平均風(fēng)進行標(biāo)準(zhǔn)時距和標(biāo)準(zhǔn)高度換算后，計算了不同重現(xiàn)期下的風(fēng)速極值。對于脈動風(fēng)，選擇監(jiān)測到年最大風(fēng)速自然日的數(shù)據(jù)，分析了脈動分量的概率密度、湍流強度、陣風(fēng)因子、空間積分尺度和功率譜密度。

2.1 多年一遇風(fēng)速極值

多年一遇風(fēng)速值是海洋平臺設(shè)計考慮的重要環(huán)境指標(biāo)?；?年的海洋平臺現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對標(biāo)準(zhǔn)時距的風(fēng)速極值進行分析，極值風(fēng)速的概率密度函數(shù)如圖3。分別采用極值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型概率分布進行擬合。形狀參數(shù)及尺度參數(shù)利用極大似然估計進行擬合。

圖3 極值風(fēng)速概率函數(shù)Fig. 3 Extreme wind speed probability density

圖4 多年一遇風(fēng)速值Fig. 4 Return period of extreme wind speed

采用極值Ⅰ型概率分布，式(3)，時距選取為24小時。

(3)

其中，x為位置參數(shù)，μ為尺度參數(shù)。計算得到渤海海域多年一遇風(fēng)速值，如圖4所示。表1為重現(xiàn)期為5 a、10 a、30 a、50 a多年一遇極值風(fēng)速。

表1 渤海多年一遇極值風(fēng)速Tab. 1 Return periods of extreme wind speed of Bohai Bay

2.2 平均風(fēng)速風(fēng)向

某時刻的來流風(fēng)速由平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速組成：

(4)

圖5 平均風(fēng)速Fig. 5 Average wind speed

圖6 平均風(fēng)向Fig. 6 Average wind direction

圖7 脈動分量概率密度Fig. 7 Turbulent wind speed probability density

2.3 脈動分量概率分布

脈動風(fēng)速符合正態(tài)分布，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得到脈動風(fēng)速時程，對脈動風(fēng)速概率密度進行正態(tài)分布擬合，結(jié)果如圖7所示。

對比發(fā)現(xiàn)脈動風(fēng)分布基本符合高斯性分布，但是脈動分量的期望為正值。文獻[5]對我國南海海域定點監(jiān)測數(shù)據(jù)的強風(fēng)場特性研究發(fā)現(xiàn)，南海海域的脈動風(fēng)概率統(tǒng)計的期望均為正值。由于脈動分量的計算僅與標(biāo)準(zhǔn)時距取值有關(guān)，可以得到以下推論，脈動分量的高斯性能計算與平均風(fēng)速計算所選取的時距有關(guān)，而標(biāo)準(zhǔn)時距下的脈動風(fēng)高斯性不能得到最優(yōu)。

2.4 湍流強度與陣風(fēng)因子

湍流強度反映了脈動風(fēng)的湍流特性，是描述大氣湍流的最直接參數(shù)。某高度z的順風(fēng)向湍流強度為：

(5)

陣風(fēng)因子是陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速的比值：

(6)

其中，tg選取為3 s。陣風(fēng)因子反映了時距內(nèi)脈動陣風(fēng)對海洋結(jié)構(gòu)物的影響。陣風(fēng)風(fēng)速與陣風(fēng)的持續(xù)時間有關(guān)，也與湍流強度有關(guān)。如圖9所示，陣風(fēng)因子隨湍流強度增大。通過一次函數(shù)對兩者關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果為A=2.223 5，B=-0.003 6。

圖8 湍流強度Fig. 8 Turbulence intensity

圖9 陣風(fēng)因子與湍流強度Fig. 9 Gustiness factor versus turbulence intensity

2.5 湍流積分尺度

湍流積分尺度是表征氣流中湍流漩渦平均尺度的度量。湍流積分尺度為：

(7)

其中，Ru1u2為不同位置測點脈動風(fēng)速的互協(xié)方差函數(shù)。在實際測量中，考慮風(fēng)速測量的空間局限，可以通過單點風(fēng)速儀測量得到風(fēng)場的湍流積分尺度。根據(jù)Taylor假設(shè)，將式(7)轉(zhuǎn)化為單點風(fēng)速場測量。

(8)

其中，Ru(τ)為脈動風(fēng)速的自相關(guān)函數(shù)。

脈動風(fēng)中含有不同空間尺度的漩渦，高頻分量的漩渦會導(dǎo)致積分尺度的計算誤差，為消除在湍流積分尺度的計算中高頻分量的影響，采用小波變換的方法對脈動風(fēng)速進行小波變換，得到不同階數(shù)的小波近似分量(cA)和細節(jié)分量(cD)。小波分析方法在時域中有良好的局部化特征,它能夠快速準(zhǔn)確地提取樣本的局部譜密度特征[10]。當(dāng)近似分量自相關(guān)函數(shù)單調(diào)遞減時，選取為小波變換最高階數(shù)，代表相關(guān)性隨時間逐漸降低，高頻分量被消除[11]。利用變換得到的最高階近似分量和前幾階細節(jié)分量(圖10，圖11)的自相關(guān)系數(shù)進行計算。

(9)

其中小波分量的能量權(quán)重為：

(10)

圖10 近似分量Fig. 10 Approximate component

圖11 細節(jié)分量Fig. 11 Detailed component

對24小時的縱向(順風(fēng)向)和橫向湍流積分尺度計算如圖12和圖13所示。

圖12 縱向積分尺度Fig. 12 Longitudinal integral length

圖13 橫向積分尺度Fig. 13 Transverse integral length

計算發(fā)現(xiàn)，順風(fēng)向湍流積分尺度大于橫風(fēng)向湍流積分尺度，年風(fēng)速最大值的縱向積分尺度為433.880 8 m，橫向積分尺度為73.040 8 m。

2.6 實測風(fēng)譜擬合

脈動風(fēng)速譜是考慮工程結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振問題的重要參量。利用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對渤海脈動風(fēng)速進行功率譜分析，將功率譜進行無量綱化處理：

(11)

其中，Sv為脈動風(fēng)速功率譜，n為脈動風(fēng)頻率，u*為縱向摩擦速度，k為地面粗糙度選取為0.003。常用的經(jīng)驗風(fēng)速譜有Davenport, Simiu, Kaimal, Harris, Karman風(fēng)速譜[12-13]。其中我國抗風(fēng)規(guī)范中采用Davenport風(fēng)速譜。利用常用經(jīng)驗譜與監(jiān)測風(fēng)速譜進行擬合，如圖14所示，Davenport風(fēng)譜能夠較好的反映渤海海域脈動風(fēng)速。

圖14 脈動風(fēng)速譜Fig. 14 Turbulent wind speed spectrum

3 結(jié) 語

1) 基于現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，采用極值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型概率分布對風(fēng)速極值概率密度進行擬合。利用極值Ⅰ型分布，計算了重現(xiàn)周期為5 a、10 a、30 a、50 a的渤海風(fēng)速最大值，能夠為未來在渤海海域的海洋平臺設(shè)計提供參考。

2) 驗證了脈動風(fēng)速的高斯性，發(fā)現(xiàn)脈動分量的高斯性能計算與平均風(fēng)速計算所選取的時距有關(guān)。計算得到了脈動風(fēng)速的湍流強度和陣風(fēng)因子，利用線性擬合，驗證了湍流強度和陣風(fēng)因子的相關(guān)性。

3) 考慮高頻漩渦給空間積分尺度計算的影響，利用小波變換，得到風(fēng)速時程的近似分量和細節(jié)分量。通過能量權(quán)重計算得到了陣風(fēng)順風(fēng)向和橫風(fēng)向空間積分尺度，計算發(fā)現(xiàn)縱向積分尺度大于橫向積分尺度。利用實測脈動風(fēng)速功率譜與常用經(jīng)驗譜進行對比，發(fā)現(xiàn)Davenport風(fēng)譜能夠較好的反映渤海海域脈動風(fēng)速。