基于Fluent和FENSAP-ICE的極區(qū)海洋平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰數(shù)值模擬

沈杰 白旭

研究論文

基于Fluent和FENSAP-ICE的極區(qū)海洋平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰數(shù)值模擬

沈杰 白旭

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

極區(qū)自然資源豐富卻氣候惡劣, 海洋平臺(tái)在此地區(qū)作業(yè)時(shí)甲板表面極易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。針對(duì)極區(qū)海洋平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰問題, 采用Fluent與FENSAP-ICE軟件相結(jié)合的方法, 分析在過冷霧和過冷雨條件下, 距海面高度和結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度對(duì)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰的影響。結(jié)果表明: 當(dāng)特征風(fēng)速為5 m·s?1、6 m·s?1和7 m·s?1時(shí), 在風(fēng)速不變的條件下, 隨著距海面高度由2 m增加到20 m, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度均逐漸增加且結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率逐漸減小; 在特征風(fēng)速為5 m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 隨著結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度由1 m增加到30 m時(shí), 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度均逐漸減小且減少程度逐漸減緩。

極區(qū)海洋平臺(tái) 甲板結(jié)構(gòu) 結(jié)冰 數(shù)值方法

0 引言

極區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的自然資源, 是未來重要的能源和資源基地。從20世紀(jì)60年代起, 人們相繼在北冰洋大陸架邊緣海域發(fā)現(xiàn)了豐富的石油和天然氣[1]。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局估計(jì), 北極擁有全球未開發(fā)石油儲(chǔ)量的13%, 可采原油約1 000億桶; 天然氣儲(chǔ)量約50萬億m3, 占全球未開發(fā)天然氣的30%[2]。

極區(qū)海洋平臺(tái)是在極區(qū)進(jìn)行資源開發(fā)的重要活動(dòng)載體, 然而由于極區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng), 溫度在?43—?26℃之間, 平均氣溫為?34℃, 海氣交換強(qiáng)烈, 大部分時(shí)間空氣中相對(duì)濕度都在95%以上, 表現(xiàn)為多霧和濃霧[3]。這種極端氣候下空氣中的冷水滴極易與海洋平臺(tái)接觸從而在結(jié)構(gòu)表面凝結(jié)成冰, 有時(shí)海洋平臺(tái)上的結(jié)冰量甚至可達(dá)數(shù)百噸, 這些新增重量不僅會(huì)降低平臺(tái)穩(wěn)性、改變平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性, 還會(huì)影響平臺(tái)上設(shè)備的正常運(yùn)行, 例如: 凍結(jié)絞盤、起重機(jī)和閥門, 覆蓋窗戶, 堵住通風(fēng)口, 增加人員滑倒的危險(xiǎn), 平臺(tái)高處的冰塊掉落還會(huì)威脅人員安全等。

Saha等[4]通過實(shí)驗(yàn)分別研究了不含鹽水滴和含鹽水滴與低溫平板碰撞后的結(jié)冰情況。實(shí)驗(yàn)表明水滴在空氣中的冷卻時(shí)間、水滴與平板的撞擊面積和水滴在結(jié)構(gòu)表面的凝結(jié)時(shí)間均主要受水滴大小的影響, 同時(shí)隨著水滴大小的增加, 水滴含鹽度對(duì)結(jié)冰時(shí)間的影響程度逐漸增加。Dehghani等[5]通過實(shí)驗(yàn)得到了船舶與海水碰撞產(chǎn)生飛濺水滴的大小和速度在垂直方向上的分布情況, 這表明以往在船舶結(jié)冰計(jì)算中對(duì)水滴使用單速度和單尺寸的假設(shè)是不夠準(zhǔn)確的, 應(yīng)使用水滴速度和大小的分布函數(shù)來進(jìn)行船舶的結(jié)冰計(jì)算。Horjen[6]提出了一個(gè)二維時(shí)間依賴型結(jié)冰數(shù)學(xué)模型ICEMOD2。該模型基于如下假設(shè): 1)空氣溫度不變, 2)結(jié)構(gòu)周圍空氣流動(dòng)為勢(shì)流, 3)結(jié)冰僅發(fā)生在圓柱的迎風(fēng)側(cè)。ICEMOD2在數(shù)值求解過程中, 采用了基于Lax–Wendroff法的有限差分法和四階Runge-Kutta方法進(jìn)行求解, 同時(shí)為了減少數(shù)值計(jì)算的誤差, 模型采用的時(shí)間步長(zhǎng)為0.016 s。但由于該模型僅考慮結(jié)構(gòu)迎風(fēng)側(cè)的冰形變化, 忽略背風(fēng)側(cè)的結(jié)冰, 這就會(huì)與實(shí)際結(jié)構(gòu)表面結(jié)冰區(qū)域的分布有較大的差異, 使此模型也有一定的局限性。Kulyakhtin[7]提出了一個(gè)用于預(yù)測(cè)海水飛濺結(jié)冰的數(shù)學(xué)模型, 即MARICE模型。MARICE模型與ICEMOD2模型最大的不同是其將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法與結(jié)冰模型進(jìn)行了耦合, 可以通過CFD方法求解結(jié)冰后冰形對(duì)結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)分布的影響。卜淑霞等[8]以一艘集裝箱船為研究對(duì)象, 研究了不同數(shù)值方法計(jì)算得到的結(jié)冰量對(duì)船舶復(fù)原力臂的影響, 進(jìn)而以某艘集裝箱船的船型參數(shù)為基本, 進(jìn)行了船舶結(jié)冰后的穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估計(jì)算, 為國(guó)際海事組織(IMO)極地規(guī)則的制定提供了技術(shù)支撐。汪仕靖[9]基于MATLAB編制并驗(yàn)證了一套極地船舶結(jié)冰計(jì)算程序, 該程序?qū)Υ瓦M(jìn)行參數(shù)化輸入, 并將船型網(wǎng)格劃分為主船體平面網(wǎng)格、上層建筑網(wǎng)格和海水飛沫無法到達(dá)的陰影區(qū)域網(wǎng)格, 但該程序只能大體確定船體某一部位的結(jié)冰量而無法得到某一具體結(jié)構(gòu)上的冰形分布。

在極區(qū)作業(yè)的海洋平臺(tái)多為固定式平臺(tái), 與船舶結(jié)冰多由海水飛濺導(dǎo)致不同, 固定式海洋平臺(tái)由于具有較高的高度, 其更易與空氣中的過冷霧滴和過冷雨滴接觸從而在結(jié)構(gòu)表面凝結(jié)成冰, 由于該部分水滴所含鹽分可忽略不計(jì), 在海洋平臺(tái)大氣結(jié)冰數(shù)值計(jì)算中可不考慮水滴中鹽分的影響[10]。由于甲板結(jié)構(gòu)作為海洋平臺(tái)上的重要組成部分, 本文針對(duì)極區(qū)海洋平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu), 采用Fluent與FENSAP-ICE軟件相結(jié)合的方法, 分析在過冷霧和過冷雨條件下, 距海面高度和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰的影響。

1 數(shù)值驗(yàn)證

1.1 結(jié)冰分析

圖1為結(jié)冰過程簡(jiǎn)圖。水滴溫度只會(huì)在低于?40℃時(shí), 才會(huì)在無擾動(dòng)的形式下自發(fā)凝結(jié)成冰[11],而在?40—0℃之間, 水滴處在一個(gè)亞穩(wěn)定狀態(tài)即過冷狀態(tài), 當(dāng)水滴處在亞穩(wěn)態(tài)時(shí)僅需微小的擾動(dòng)即可觸發(fā)凝固, 導(dǎo)致水從亞穩(wěn)態(tài)液相變成穩(wěn)態(tài)固相。熱/能量傳導(dǎo)、流體中雜質(zhì)、與冷表面的接觸、機(jī)械撞擊、振動(dòng)等都可能成為擾動(dòng)源, 本文研究的水滴與海洋平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)碰撞而結(jié)冰的情況就屬于機(jī)械撞擊觸發(fā)凝固。

圖1 結(jié)冰過程簡(jiǎn)圖

Fig.1. Sketch of icing process

1.2 計(jì)算流程

由于極區(qū)海洋平臺(tái)結(jié)冰的特殊性, 通常對(duì)其的研究都是通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行的, 然而受到我國(guó)地理位置的影響, 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是非常耗時(shí)且成本極高的。因此, 本文結(jié)合Fluent和FENSAP-ICE軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究, 其中Fluent軟件用于結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)的分析計(jì)算, FENSAP-ICE軟件用于計(jì)算水滴的撞擊特性和冰層的增長(zhǎng)過程。圖2為本文的計(jì)算流程。

圖2 計(jì)算流程

Fig.2. Computing flow

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性, 本文從文獻(xiàn)[6]中選取了一組結(jié)冰試驗(yàn)條件(見表1)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算(在計(jì)算過程中均不考慮結(jié)構(gòu)表面的粗糙度)。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

如圖3所示, 圖4中的x軸坐標(biāo)代表圓柱表面任意一點(diǎn)與圓心之間的夾角φ, 0°為與x軸負(fù)向重合, 沿順時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

圖3 圖4中x軸坐標(biāo)定義

Fig.3. Definition of X-axis coordinate in figure 4

圖4 結(jié)冰厚度對(duì)比

Fig.4. Icing thickness comparison

圖4中表示的是結(jié)構(gòu)表面的冰層厚度計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[6]中數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖4中可以看出在整個(gè)區(qū)間內(nèi)兩者的變化趨勢(shì)相同, 平均偏差僅為6.94%, 驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。

2 甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰分析

氣流與平臺(tái)甲板相接觸后會(huì)向上抬升(如圖5), 甲板結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)可以看作是相似的, 因此本文僅選用平臺(tái)甲板的一部分進(jìn)行結(jié)冰分析, 仿真過程中所用計(jì)算域模型如圖6所示, 其中inlet為速度入口邊界條件, outlet為壓力出口邊界條件, 上下邊界為壁面邊界條件, d為特征長(zhǎng)度, 平板在計(jì)算過程中保持靜止。

圖5 甲板與氣流的作用

Fig.5. The role of deck and air flow

圖6 計(jì)算域模型

Fig.6. Computational domain model

選取文獻(xiàn)[12]中的條件作為本文的計(jì)算條件, 分別分析在過冷霧(見表2)和過冷雨(見表3)條件下距海面高度和特征長(zhǎng)度對(duì)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰的影響。

距海面高度Z處的風(fēng)速由下式可得:

式中,表示距海面10 m處的風(fēng)速, 本文將其定義為特征風(fēng)速,表示距海面的高度。

圖7和圖8表示的是過冷霧和過冷雨條件下甲板結(jié)構(gòu)表面平均結(jié)冰厚度與距海面高度之間的關(guān)系, 表4、表5表示的是過冷霧和過冷雨條件下甲板結(jié)構(gòu)表面結(jié)冰的相對(duì)增長(zhǎng)率。從圖7和圖8中可以看出, 當(dāng)特征風(fēng)速為5 m·s?1、6 m·s?1s和7 m·s?1時(shí), 在風(fēng)速不變的條件下, 隨著距海面高度由2 m增加到20 m, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度逐漸增加; 在距海面高度不變時(shí), 隨著風(fēng)速的增加, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度也在逐漸增加。從表4、表5可以看出, 當(dāng)特征風(fēng)速為5 m·s?1、6 m·s?1s和7 m·s?1時(shí), 在風(fēng)速不變的條件下, 隨著距海面高度的增加, 結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率逐漸減小。

圖9和圖10表示的是過冷霧和過冷雨條件下距海面20 m和80 m處平均結(jié)冰厚度隨甲板結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度的變化, 表6和表7表示的是過冷霧和過冷雨條件下甲板結(jié)構(gòu)表面結(jié)冰的相對(duì)增長(zhǎng)率。從圖9和圖10中可以看出, 在特征風(fēng)速為5 m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 均隨著結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度由1 m增加到30 m時(shí), 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度逐漸減小; 在特征長(zhǎng)度不變的條件下, 隨著距海面高度由20 m增加到80 m, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度逐漸增加。從表6和表7中可以看出, 在特征風(fēng)速為5 m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 隨著結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度由1 m增加到30 m時(shí), 結(jié)構(gòu)表面的相對(duì)結(jié)冰增長(zhǎng)率均逐漸增大。

表2 過冷霧計(jì)算條件

表3 過冷雨計(jì)算條件

圖7 過冷霧條件下結(jié)冰厚度與距海面距離的關(guān)系

Fig.7. Relationship between ice thickness and distance from sea surface under supercooled fog

圖8 過冷雨條件下結(jié)冰厚度與距海面距離的關(guān)系

Fig.8. Relationship between ice thickness and distance from sea surface under supercooled rain

表4 過冷霧條件下距海面高度對(duì)結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率的影響

注: 距海面高度20 m處的相對(duì)結(jié)冰增長(zhǎng)率使用如下公式計(jì)算: (20–18)/18·100%，其中20和18分別表示20 m和18 m處的結(jié)冰厚度

表5 過冷雨條件下距海面高度對(duì)結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率的影響

注: 距海面高度20 m處的相對(duì)結(jié)冰增長(zhǎng)率使用如下公式計(jì)算: (20–18)/18·100%，其中20和18分別表示20 m和18 m處的結(jié)冰厚度

圖9 特征風(fēng)速為5 m·s?1時(shí)過冷霧條件下距海面20 m和80 m處平板特征長(zhǎng)度隨高度的變化

Fig.9. Variation of plate feature length with height from20m and 80m from sea surface under supercooled fog at a characteristic wind speed of 5 m·s?1

圖10 特征風(fēng)速為5 m·s?1時(shí)過冷雨條件下距海面20 m和80 m處平板特征長(zhǎng)度隨高度的變化

Fig.10. Variation of plate feature length with height from 20m and 80m from sea surface under supercooled rain at a characteristic wind speed of 5 m·s?1

表6 過冷霧條件下結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度對(duì)結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率的影響

注: 特征長(zhǎng)度30 m處的相對(duì)結(jié)冰增長(zhǎng)率使用如下公式計(jì)算: (30–25)/25·100%，其中30和25分別表示特征長(zhǎng)度為30 m和25 m處的結(jié)冰厚度

表7 過冷雨條件下結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度對(duì)結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率的影響

注: 特征長(zhǎng)度30 m處的相對(duì)結(jié)冰增長(zhǎng)率使用如下公式計(jì)算: (30–25)/25·100%，其中30和25分別表示特征長(zhǎng)度為30 m和25 m處的結(jié)冰厚度

3 結(jié)論

以極區(qū)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的結(jié)冰為背景, 提出了結(jié)合Fluent和FENSAP-ICE軟件進(jìn)行甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰數(shù)值預(yù)報(bào)的方法, 分析了在過冷霧和過冷雨條件下距海面高度和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)甲板結(jié)構(gòu)結(jié)冰的影響, 得出以下結(jié)論。

1. 當(dāng)特征風(fēng)速分別為5 m·s?1、6 m·s?1和7 m·s?1時(shí), 在風(fēng)速不變的條件下, 隨著距海面高度由2 m增加到20 m, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度均逐漸增加且結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰相對(duì)增長(zhǎng)率逐漸減小。

2. 在距海面高度不變時(shí), 隨著特征風(fēng)速由5 m·s?1增加到7 m·s?1, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度也在逐漸增加。

3.在特征風(fēng)速為5m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 隨著結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度由1 m增加到30 m時(shí), 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度均逐漸減小且減少程度逐漸減緩。

4. 在特征風(fēng)速為5 m·s?1條件下, 當(dāng)結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度不變時(shí), 隨著距海面高度由20 m增加到80 m, 結(jié)構(gòu)表面的平均結(jié)冰厚度逐漸增加。

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NUMERICAL SIMULATIONS OF DECK STRUCTURE ICING ON POLAR OFFSHORE PLATFORMS BASED ON FLUENT AND FENSAP-ICE

Shen Jie, Bai Xu

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The polar region is rich in natural resources, but the climate is harsh. The deck surface of offshore platforms in this region is prone to icing, which is dangerous. To investigate factors affecting the icing of deck structures on polar marine platforms, a combination of the software programs Fluent and FENSAP-ICE was used to analyze the influence of sea surface height and structure length on deck icing under conditions of supercooled fog and rain. The results showed that when characteristic wind speeds were 5 m·s?1, 6 m·s?1and 7 m·s?1, average ice thickness on the structure surface increased gradually with height from 2 m to 20 m and the relative growth rate of ice on the structure surface decreased gradually. Additionally, when characteristic wind speed was 5 m·s?1at altitudes of 20 m and 80 m above sea level, the length of the structure increased from 1 m to 30 m, and average ice thickness on the structure surface and degree of reduction decreased.

polar offshore platform, deck structure, icing, numerical method

2019年7月收到來稿, 2019年10月收到修改稿

國(guó)家自然科學(xué)基金(51879125)、江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(18KJA580003)、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目(2018-KTHY-033)和江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJKY19_2664)資助

沈杰, 男, 1993年生。碩士研究生, 研究方向?yàn)闃O地船舶與海洋工程。E-mail: shenjie254@126.com

白旭, E-mail: baixu@just.edu.cn.

10. 13679/j.jdyj.20190033