基于CFD技術(shù)的半潛式鉆井服務(wù)支持平臺風(fēng)荷載預(yù)報(bào)

谷家揚(yáng)， 楊　琛, 劉為民， 盧燕祥

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

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基于CFD技術(shù)的半潛式鉆井服務(wù)支持平臺風(fēng)荷載預(yù)報(bào)

谷家揚(yáng)， 楊琛, 劉為民， 盧燕祥

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

摘要：該文基于N-S方程的DES湍流模型，對1∶50縮尺比半潛平臺受到的風(fēng)載荷、壓力系數(shù)分布和平臺表面附近流場進(jìn)行了研究。將數(shù)值模擬風(fēng)載荷和風(fēng)傾力矩通過相似理論換算為實(shí)際值，并與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，數(shù)值模擬值較規(guī)范計(jì)算值小。影響各結(jié)構(gòu)和整個(gè)平臺風(fēng)載荷的主要因素有“遮蔽”效應(yīng)和迎風(fēng)面面積。由于干擾效應(yīng)和“遮蔽”效應(yīng)影響，導(dǎo)致不同傾斜角、風(fēng)向角下平臺所受風(fēng)載荷不同。相同傾斜角度下，風(fēng)載荷變化規(guī)律隨著風(fēng)向角的增大而不同；而相同風(fēng)向角下，風(fēng)載荷隨著傾斜角增大而增大?！罢诒巍毙?yīng)、傾斜角、風(fēng)向角、結(jié)構(gòu)位置和結(jié)構(gòu)形狀等對結(jié)構(gòu)受壓分布差異和平臺表面附近流場有重要影響。

關(guān)鍵詞：半潛式平臺；風(fēng)載荷；壓力系數(shù)；流場；遮蔽效應(yīng)

0引言

風(fēng)載荷是深水海洋平臺設(shè)計(jì)過程中需考慮的重要載荷之一，風(fēng)載荷和波浪載荷的聯(lián)合作用可使平臺整體傾覆，導(dǎo)致平臺失效。目前國際上對風(fēng)載荷研究主要有實(shí)地監(jiān)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬三種方法。由于我國對深水海洋平臺研究起步較晚，缺乏深水海洋平臺風(fēng)載荷實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)，導(dǎo)致我國主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對風(fēng)載荷進(jìn)行研究[1，2]。

Lee T S[3]通過風(fēng)洞試驗(yàn)測量了比例尺為1∶218某海洋平臺模型風(fēng)載荷，結(jié)果表明，樁腿限制了淺水中平臺運(yùn)動性能，垂直方向上湍流風(fēng)會使直升機(jī)甲板出現(xiàn)問題。Chen Q[4]通過風(fēng)洞試驗(yàn)對不同風(fēng)向角下速度分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，平均速度和脈動速度均方根在不同風(fēng)向角下具有相異性。Chen Q[5]通過風(fēng)洞試驗(yàn)對平臺受壓和受力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，各構(gòu)件在不同風(fēng)向角下的壓力分布規(guī)律及空隙對風(fēng)載荷的影響。Boonstra H[6]通過DNV規(guī)范和實(shí)地監(jiān)測兩種方法對某半潛式海洋平臺進(jìn)行了風(fēng)力計(jì)算和比較，結(jié)果表明，實(shí)地監(jiān)測值僅為DNV規(guī)范計(jì)算的一半。EGON T D[7]通過風(fēng)洞試驗(yàn)對一半潛式平臺進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，試驗(yàn)風(fēng)力載荷小于ABS規(guī)范計(jì)算值。陳維杰, 陳國明等[8]通過計(jì)算流體動力學(xué)方法(CFD)對不同風(fēng)向角下導(dǎo)管架平臺進(jìn)行了風(fēng)場三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明，三維數(shù)值模擬可以很好地將流場壓力等可視化視圖展現(xiàn)出來，且得到了不同風(fēng)向下風(fēng)載荷變化趨勢。曹明強(qiáng)，王磊等[9]采用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)對某超深水鉆井半潛平臺風(fēng)載荷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，模塊法計(jì)算風(fēng)載荷的可靠性。林一，胡安康等[10]通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲得不同風(fēng)向角下干擾因子，并在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬對干擾現(xiàn)象進(jìn)行研究，結(jié)果表明，干擾現(xiàn)象對風(fēng)載荷有重要影響。鞏雪, 翟剛軍[11]通過規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)對平臺體型系數(shù)進(jìn)行了研究。林一，胡安康等[12]通過風(fēng)洞試驗(yàn)、規(guī)范計(jì)算和數(shù)值模擬對平臺載荷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，數(shù)值模擬值小于規(guī)范計(jì)算值，而與風(fēng)洞試驗(yàn)值相似。陳剛，汪怡等[13]采用風(fēng)洞試驗(yàn)對平臺平均風(fēng)靜力進(jìn)行了研究，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行了對比分析。朱航，馬哲等[14]通過風(fēng)洞試驗(yàn)對1∶100比例下HYSY-981半潛式海洋平臺進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)梯度下抗風(fēng)特性試驗(yàn)，并將結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，兩結(jié)果較吻合，并說明了數(shù)值方法的可靠性。朱航，馬哲等[15]通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對穩(wěn)態(tài)梯度風(fēng)下、不同工況的平臺風(fēng)載荷及表面壓力分布進(jìn)行了研究，兩方法結(jié)果基本一致。

國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)載荷的研究主要集中在不同風(fēng)向?qū)ζ脚_風(fēng)載荷的影響，但對傾斜角度和風(fēng)向角度聯(lián)合影響下的研究較少。因此，該文建立了BT-3500 TSV半潛式平臺數(shù)值模型，采用DES湍流模型對不同傾斜角、風(fēng)向角、極端風(fēng)載荷下的平臺所受風(fēng)載荷、壓力系數(shù)分布和平臺表面附近流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范計(jì)算進(jìn)行對比分析。

1數(shù)值模型與邊界條件

該文以BT-3500 TSV為研究對象，其主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。以平臺基本結(jié)構(gòu)圖為參考，分別建立各工況數(shù)值模型，主要對平臺下浮體、立柱、橫撐、甲板箱、甲板、上層建筑等主要模塊進(jìn)行風(fēng)載荷數(shù)值模擬，平臺模型如圖1所示。模型縮尺比為1∶50，為避免壁面效應(yīng)帶來影響，整個(gè)模型計(jì)算區(qū)域大小為10 m×6 m×4 m，平臺中心距風(fēng)速入口4 m，風(fēng)速為7.275 m/s。通過傾斜角度、風(fēng)向角度組合為不同計(jì)算工況，具體數(shù)值見表2，風(fēng)向角示意圖如圖2所示。

圖1　半潛式平臺示意圖　　　　　　　　　　　　圖2　風(fēng)向角示意圖

項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)總長83.00m立柱上甲板型寬77.35m水平橫截面12.35m×13.65m長63.70m基線至甲板箱底高24.70m橫向間距47.45m寬64.35m基線至下甲板高26.00m縱向間距47.45m高6.50m基線至上甲板高31.20m甲板箱橫撐下浮體長59.80m直徑2.00m長76.70m寬50.70m距基線高10.00m寬13.65m高6.50m高7.80m橫向間距47.45m

表2　計(jì)算工況

采用以N-S方程為基礎(chǔ)的分離渦數(shù)值模擬法(DES)對平臺進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，DES于邊界層近壁區(qū)采用非穩(wěn)定雷諾時(shí)均法(RANS)，而遠(yuǎn)場分離區(qū)采用大渦模擬法(LES)。

在劃分網(wǎng)格時(shí)，將整個(gè)流域劃分為若干區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以此提高網(wǎng)格質(zhì)量和控制網(wǎng)格數(shù)量。平臺壁面及尾流區(qū)域采用精細(xì)網(wǎng)格并保證第一層網(wǎng)格位于粘性底層內(nèi)，以保證數(shù)值模擬質(zhì)量，其它區(qū)域采用較疏網(wǎng)格，以控制網(wǎng)格數(shù)量。

數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置如下：

(1) 入口邊界條件：采用速度入口邊界條件(Velocity-inlet)，風(fēng)從入口均勻流入。

(2) 出口邊界條件：采用完全發(fā)展出流邊界條件(Outflow)。

(3) 數(shù)值計(jì)算域海平面、底部及左右邊界條件：采用對稱邊界條件(Symmetry)。

(4) 平臺表面邊界條件：采用無滑移壁面邊界條件(Wall)。

2計(jì)算結(jié)果及分析

2.1風(fēng)載荷分析

表3為無傾斜下各結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷所占份額，從表3中可以看出，立柱、甲板、甲板箱及其附屬物和主上層建筑風(fēng)載荷占據(jù)主要份額，而其它結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷在90°風(fēng)向和120°風(fēng)向下風(fēng)載荷所占份額才逐漸明顯，分別為8.7%和16.1%。在0°～90°風(fēng)向下，隨著風(fēng)向逐漸增大，立柱風(fēng)載荷所占份額逐漸減小，這是由于隨著風(fēng)向逐漸增大，上層建筑迎風(fēng)面積逐漸增大的緣故。雖然立柱和甲板在一定程度上也有增大趨勢，但增加速率遠(yuǎn)沒有主上層建筑部分快；甲板、甲板箱及附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)力隨著風(fēng)向增大，所占份額有一定減小趨勢，但沒有立柱所占份額減少得快。在90°～120°風(fēng)向下，立柱及甲板所占份額變大，而主甲板所占份額減小。在120°風(fēng)向下，甲板、甲板箱及附屬結(jié)構(gòu)所占份額達(dá)到最大，主上層建筑所占份額達(dá)到最小。此外，管子堆場和泥艙室風(fēng)載荷達(dá)到最大。

表3　無傾斜下各結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷所占份額(%)

根據(jù)相似理論，將數(shù)值模擬風(fēng)載荷值轉(zhuǎn)換為實(shí)際尺寸平臺所受風(fēng)載荷，并將實(shí)際平臺風(fēng)載荷與CCS規(guī)范、ABS規(guī)范和DNV規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行比較，如圖3所示。由圖3整體分析可知，數(shù)值模擬值較各規(guī)范值小，這主要是實(shí)際情況中“遮蔽”效應(yīng)、干擾效應(yīng)存在和規(guī)范采取保守計(jì)算的緣故，還有部分誤差是由尺度效應(yīng)所引起的，某些工況數(shù)值模擬變化規(guī)律和相應(yīng)規(guī)范計(jì)算稍有不同。CCS規(guī)范和ABS規(guī)范計(jì)算值大小和變化規(guī)律基本相近，而DNV規(guī)范計(jì)算值雖整體與CCS規(guī)范、ABS規(guī)范變化規(guī)律相似，但某些相應(yīng)風(fēng)向角計(jì)算值和前兩種規(guī)范計(jì)算值大小相差較大。由圖3(a)可知，各方法計(jì)算值變化規(guī)律均近似于正弦曲線，CCS和ABS計(jì)算值吻合程度較高，而DNV計(jì)算值變化幅度較大，這與各規(guī)范對不同結(jié)構(gòu)體型系數(shù)等選取有關(guān)。由于迎風(fēng)面面積增大的緣故，風(fēng)載荷在風(fēng)向角0°～60°內(nèi)逐漸增大；而60°～90°內(nèi)風(fēng)載荷逐漸減小是由于迎風(fēng)面積減小，“遮蔽”效應(yīng)減弱所引起；風(fēng)載荷在90°～120°內(nèi)逐漸增大直至最大值出現(xiàn)。由圖3(b)可知，規(guī)范計(jì)算值關(guān)于風(fēng)向角0°具有一定的對稱性，這主要緣于平臺主要受風(fēng)載荷結(jié)構(gòu)在一定風(fēng)向角上迎風(fēng)面積相似從而導(dǎo)致風(fēng)載荷變化曲線對稱；數(shù)值計(jì)算在0°～10°間具有減小趨勢，在風(fēng)向角10°時(shí)達(dá)到最小值，而在10°～20°內(nèi)風(fēng)載荷逐漸變大。從圖3(c)可知，CCS規(guī)范和ABS規(guī)范計(jì)算值在10°～30°增長較快，而后增長放緩；而DNV和CFD風(fēng)載荷在風(fēng)向角20°～40°增大較快。由圖3(d)可知，DNV規(guī)范計(jì)算值在整個(gè)風(fēng)向角下增長較其它兩規(guī)范均勻，而CFD計(jì)算值在風(fēng)向角40°～50°下有所減小，這可能是受風(fēng)載荷作用的結(jié)構(gòu)不同、尾流場作用的不同等因素引起。

圖3　各工況下不同風(fēng)向角風(fēng)載荷

圖4所示為工況3和工況4(傾斜角分別為5°和17°)下風(fēng)載荷及風(fēng)傾力矩統(tǒng)計(jì)，由圖4可知，同一風(fēng)向角下，傾斜17°平臺所受風(fēng)載荷和風(fēng)傾力矩均較傾斜5°下的大，其中工況4下的風(fēng)載荷約為工況3的1.5倍，而風(fēng)傾力矩約為2倍，這主要是平臺受風(fēng)作用的結(jié)構(gòu)不同，即受風(fēng)面積不同，從而導(dǎo)致風(fēng)載荷不同、風(fēng)傾力矩不同。通過圖3、圖4可知，風(fēng)載荷和風(fēng)傾力矩隨著傾斜角度的增大而逐漸增大。

圖4　不同傾斜角度下風(fēng)載荷及風(fēng)傾力矩

2.2壓力系數(shù)分布

圖5為風(fēng)向角30°、不同傾斜角度下壓力系數(shù)分布。由圖5可知，由于風(fēng)的直接撞擊作用，迎風(fēng)面壓力系數(shù)值較大，而與直升機(jī)甲板相連的主上層建筑背風(fēng)面后較大區(qū)域壓力系數(shù)為負(fù)，“遮蔽”效應(yīng)明顯，且傾斜角度越大，負(fù)壓區(qū)越大。在風(fēng)向角30°下，上游立柱尾渦分離后，作用于下游立柱迎風(fēng)面處。立柱邊界層附著于立柱之上，且其下壓力為負(fù)，隨著尾渦的形成，壓力隨之增大，尾渦分離時(shí)立柱尾后受壓為負(fù)。通過圖5(c)可知， 迎風(fēng)面下浮體受壓基本為正，由于下游下浮體位于上游尾流場緣故， 導(dǎo)致下游下浮體上表面受到

圖5　風(fēng)向角30°、不同傾斜角度下壓力系數(shù)分布圖

負(fù)壓作用，此外，下浮體背流面均受到負(fù)壓作用。通過圖4(b)和圖4(c)可以看出，由于橫撐位于上游立柱尾后，導(dǎo)致與立柱相連的部分區(qū)域受壓為負(fù)；橫撐上部分為負(fù)，這部分是橫撐表面尾渦釋放部分，下部分為迎風(fēng)作用處。圖5(a)迎風(fēng)上層建筑直角拐彎處有負(fù)壓形成，此處風(fēng)流速度較??；而圖5(b)和圖5(c)平臺傾斜下，由于主上層建筑前端長凸起結(jié)構(gòu)尾流的作用，導(dǎo)致下游小凸起處尾后甲板上端有負(fù)壓區(qū)形成，且傾斜角度越大，負(fù)壓越明顯。甲板上吊機(jī)隨著傾斜角度增大，所受正壓作用越來越小。

2.3平臺表面附近三維流場分布

圖6所示為風(fēng)向角0°、不同傾斜角度下平臺表面附近流場分布。平臺表面附近流場反映的是速度大小、漩渦和回流等流場特性。通過圖6可知，漩渦、撞擊和回流等現(xiàn)象在平臺拐角和結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間極易發(fā)生，主上層建筑背風(fēng)面極易形成小速度場和回流，因此此部分極不利于廢氣的排放，結(jié)構(gòu)物密集處和結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間風(fēng)流較為復(fù)雜，風(fēng)場更為紊亂。在“遮蔽”效應(yīng)下，下游結(jié)構(gòu)物附近為小速度風(fēng)場，且回流居多，小速度是緣于上游結(jié)構(gòu)邊界層流從下游結(jié)構(gòu)上方流過，回流是由于上游結(jié)構(gòu)尾流與下游風(fēng)場共同作用的結(jié)果。

圖6　風(fēng)向角0°、不同傾斜角度下平臺表面附近流場分布

3結(jié)論

該文通過數(shù)值模擬和規(guī)范計(jì)算對不同傾斜角和風(fēng)向角共同影響下的平臺風(fēng)載荷、風(fēng)傾力矩、壓力系數(shù)分布和表面附近流場進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)立柱、下浮體、甲板、甲板箱、直升機(jī)甲板及其相連主上層建筑為平臺所受風(fēng)載荷主要結(jié)構(gòu)；“遮蔽”效應(yīng)和迎風(fēng)面面積是影響各結(jié)構(gòu)及整個(gè)平臺所受風(fēng)載荷的重要因素。

(2)由于規(guī)范設(shè)計(jì)采取保守計(jì)算，導(dǎo)致數(shù)值模擬值較規(guī)范計(jì)算值小，由于“遮蔽”效應(yīng)、干擾效應(yīng)和尺度效應(yīng)影響，使得各工況數(shù)值模擬值各不相同。

(3)相同傾斜角度下，各風(fēng)載荷隨著風(fēng)向角的增大變化規(guī)律各不相同，相同風(fēng)向角下，風(fēng)載荷和風(fēng)傾力矩隨著傾斜角度的增大而逐漸增大。

(4)迎風(fēng)面壓力系數(shù)為正，而“遮蔽”效應(yīng)下結(jié)構(gòu)和拐角處一般受負(fù)壓作用，隨著傾斜角度的增大，“遮蔽”效應(yīng)范圍越大，即負(fù)壓區(qū)越大。

(5)傾斜角度、風(fēng)向角度和結(jié)構(gòu)體型是影響流場的重要因素，漩渦、回流和沖撞等現(xiàn)象在不同結(jié)構(gòu)間隙處和“遮蔽”區(qū)下極為明顯。

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Wind Load Prediction of Semi-submersible Tender Support

Vessel Based on the CFD Method

GU Jia-yang， YANG Chen， LIU Wei-min， LU Yan-xiang

(School of Naval Architecture and Marine Engineering, Jiangsu University of Science

and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China)

Abstract：DES based on N-S equations is applied to study on a 1∶50 scale semi-submersible platform model. Wind load, pressure coefficient distribution and flow around platform are studied in this paper. Similarity theory is employed to transform numerical simulation values, such as wind loads, inclination moments, to actual values which are compared with that according to rules. This paper demonstrates that the values of numerical simulation are little than that of rules. "Shielding" effect and area of incoming faces have an important on wind load of each structure and platform. Because of interference effect and "shielding" effect, wind load varies with different inclination and incoming angles. As incoming angle grows, wind load changes in the same inclination direction. But wind load enlarges with inclination angle growing in the same incoming direction. The pressure coefficient distributions and flow field on platform are different, which is caused by "shielding" effect, inclination angles, incoming directions, structure positions and shapes.

Keywords：semi-submersible platform; wind load; pressure coefficient; flow field; shielding effect

中圖分類號:P751

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-4500(2015)06-0042-07

作者簡介：谷家揚(yáng)(1979-)，男，副教授。