系泊方式與結(jié)構(gòu)外形對(duì)水下中部懸置構(gòu)筑物穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究?

蔣濟(jì)同，曠 俊 ，周獻(xiàn)祥，牛云龍

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島266100；2.軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100036)

隨著海洋科技的不斷發(fā)展，人類探測領(lǐng)域已經(jīng)從近海逐步跨入深海乃至超深海。深海領(lǐng)域?qū)夹g(shù)要求在不斷提高，同時(shí)，需要更加先進(jìn)的深海設(shè)備，因此深海設(shè)備從設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)到使用，都需要更大的發(fā)展及進(jìn)步[1-2]。

本文所研究的水下中部懸置構(gòu)筑物不具有動(dòng)力系統(tǒng)，不具備自主航行的能力，通過錨鏈固定在海面以下，主要功能是為人類深海活動(dòng)的提供補(bǔ)給，為深潛器提供燃料和裝備，為深海勘察、采集、觀測和資源開發(fā)等眾多與深海環(huán)境資源有關(guān)的人類活動(dòng)提供支持，提高深海作業(yè)的效率和安全性。因此，對(duì)水下中部懸置構(gòu)筑物進(jìn)行研究對(duì)促進(jìn)深海資源探測的發(fā)展，具有重要的理論及實(shí)踐意義。

韋起賢[3]采用雙向流固耦合的數(shù)值模擬方式對(duì)球形、圓柱半球形、碟形平放和立放四種情況下構(gòu)筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究表明碟形是構(gòu)筑物相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)外形，其在雙向流固耦合設(shè)置中將構(gòu)筑物離水面最遠(yuǎn)處設(shè)定為固定約束，只能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有X、Y和Z方向的位移?？梢栽谝欢ǔ潭壬戏磻?yīng)形狀對(duì)穩(wěn)定性的影響，但固定約束與實(shí)際情況的纜繩約束完全不相符。

本文將采用Aqwa模塊，模擬纜繩對(duì)構(gòu)筑物的約束，同時(shí)比較系泊方式和結(jié)構(gòu)外形對(duì)水下中部懸置構(gòu)筑物穩(wěn)定條件的影響，為研究構(gòu)筑物的合理外形提供參考。

1 環(huán)境參數(shù)及設(shè)計(jì)條件

綜合考慮可能的應(yīng)用場景選定了200 m作為水深開展研究。通過查閱大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，當(dāng)構(gòu)筑物處于200 m水深時(shí)，波浪對(duì)其造成的影響可以忽略，故主要考慮洋流對(duì)構(gòu)筑物可能造成的影響。研究顯示中國近海200 m水深時(shí)最大流速不會(huì)超過2 m/s，因此本文從最不利荷載的角度出發(fā)，以2 m/s的流速為基礎(chǔ)研究不同系泊方式和結(jié)構(gòu)外形對(duì)構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響[3]。因200 m水深的鉛直流單位一般是10-5cm/s[4]，速度較小，因此只考慮水平流速。

構(gòu)筑物的形狀初步選為碟形、圓球形、圓柱-半球形，如圖1所示。體積選擇200和1 000 m3兩個(gè)量級(jí)的尺寸如表1所示。

表1 三類構(gòu)筑物尺寸

圖1 海洋中部懸置構(gòu)筑物形狀

2 數(shù)值模擬設(shè)置

Aqwa(Advanced quantiative wave analysis)模塊作為大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、海洋工程設(shè)計(jì)公司的重要浮體分析工具之一，其主要解決浮體在環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊定位、海上安裝定位、船舶航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題[5-8]。本文采用有限體積法離散，通過ANSYS Workbench平臺(tái)中的Fluent模塊計(jì)算構(gòu)筑物在水流作用下的阻力，計(jì)算出的阻力作為水流力系數(shù)矩陣導(dǎo)入到該平臺(tái)的Aqwa模塊，再進(jìn)行構(gòu)筑物穩(wěn)定性分析。

2.1 流場邊界

流域設(shè)置越大越好，可以忽略壁面對(duì)構(gòu)筑物運(yùn)動(dòng)的影響，但流域設(shè)置過大，勢必網(wǎng)格數(shù)量增多，從而影響計(jì)算效率，為保證模型周圍流場得到充分發(fā)展，本文流場大小參考文獻(xiàn)[9]，建立圓柱形流域，模型的幾何中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)。流域設(shè)置：前端長度為構(gòu)筑物長度3倍；后端長度為構(gòu)筑物長度4倍；直徑為構(gòu)筑物直徑的10倍[9](見圖2)。

圖2 計(jì)算域模型

2.2 網(wǎng)格生成

采用Geometry模塊進(jìn)行流場域的建模，為保證全部區(qū)域都能劃分成六面體網(wǎng)格，對(duì)流場進(jìn)行切分，面與面之間兩兩對(duì)立[10]。

采用Mesh模塊對(duì)已經(jīng)切分好的流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量將很大程度影響計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，在靠近構(gòu)筑物的附近網(wǎng)格應(yīng)該盡可能的細(xì)一些，而距離構(gòu)筑物很遠(yuǎn)的部分的網(wǎng)格可以設(shè)置大一些。參考孫夢瑤[11]的論文，第一層網(wǎng)格高度按照公式來確定：

y+=0.172(Δy/L)Re0.9。

式中y+=40。

網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 流場網(wǎng)格

2.3 求解設(shè)置

參考文獻(xiàn)[3]，本次研究選擇了雷諾平均N-S方程，采用RNGk-ε湍流模型設(shè)置求解。采用穩(wěn)態(tài)求解器，對(duì)壓力速度耦合項(xiàng)選取SIMPLE算法進(jìn)行解耦；采用有限體積法離散動(dòng)量方程，其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式；離散得到的代數(shù)方程采用Gauss-Seidel迭代求解[12]。

基于雷諾平均的N-S方程為：

(1)

(2)

RNGK-Epision湍流模型的k和ε方程如下：

(3)

(4)

整個(gè)計(jì)算域邊界分為入口、出口、壁面和外部邊界，所研究的構(gòu)筑物模型黏性繞流視為不可壓縮流動(dòng)，各邊界條件設(shè)置如下：

(2)出口：壓力出口邊界(Pressure-outlet)。

(3)壁面表面：設(shè)定構(gòu)筑物表面為不可滑移壁面條件，設(shè)為wall。

(4)外邊界：計(jì)算域外邊界為無滑移壁面(Wall)。

(5)對(duì)稱邊界：將模型對(duì)稱面所在平面，即計(jì)算域的對(duì)稱面，設(shè)定為對(duì)稱邊界(Symmetry)。在對(duì)稱面上，既沒有質(zhì)量的交換，也沒有熱量等其他物理量的交換，F(xiàn)luent設(shè)定垂直于對(duì)稱面的速度分量為零。在計(jì)算中，該邊界條件不需要給定任何參數(shù)。

2.4 模型阻力計(jì)算方法驗(yàn)證

早在2006年上海交通大學(xué)的張懷新等[13]就對(duì)新型蝶形潛水器進(jìn)行了研究，證明了數(shù)值計(jì)算在潛水器阻力性能研究方面的應(yīng)用價(jià)值。本文先對(duì)其模型進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算方法的可行性與可靠性。其采用的模型示意圖和尺寸分別如圖4和表2所示。

圖4 潛水器布置圖

表2 潛水器主尺度要素

數(shù)值計(jì)算過程中，由于潛水器左右、上下對(duì)稱，所以依然選取1/4模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與原論文結(jié)果對(duì)比見表3。

從表3可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常的接近，誤差都小于10%，說明該數(shù)值模擬方法的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及所選取的計(jì)算參數(shù)是合理的。

“在很久以前，我們糖人可受孩子們的歡迎了，為他們的童年帶去了很多歡樂……只是到了這個(gè)時(shí)代，你們這群小孩都喜歡吃什么巧克力啊水果糖這些新鮮時(shí)髦的東西……”糖龍嘆息著說道。

表3 不同航速下潛水器的阻力

2.5 阻力計(jì)算結(jié)果

通過Fluent軟件計(jì)算3種不同形狀的構(gòu)筑物在2 m/s水流作用下受到的阻力，之前對(duì)模型進(jìn)行了分塊處理，生成了正交的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的使用效果很好，計(jì)算80步就達(dá)到了收斂條件，殘差圖如圖5所示。

圖5 殘差圖

不同體積的構(gòu)筑物阻力計(jì)算結(jié)果如表4、5所示。

表4 200 m3構(gòu)筑物仿真結(jié)果

表5 1 000 m3仿構(gòu)筑物仿真結(jié)果

從上表可以看出,比較三者的總阻力：200和1 000 m3的規(guī)律一致，碟形構(gòu)筑物的阻力最小，球形構(gòu)筑物次之，圓柱-半球形阻力最大，與球形和圓柱-半球形構(gòu)筑物相比，碟形構(gòu)筑物所受到的黏壓阻力較小，黏壓阻力又被稱為旋渦阻力，它與構(gòu)筑物尾部旋渦所消耗的能量有關(guān)，黏壓阻力越小，所消耗的能量越少，構(gòu)筑物尾部旋渦越少，所以上述結(jié)果表明碟形構(gòu)筑物尾流中產(chǎn)生的旋渦較少，更適應(yīng)在流場環(huán)境中的受力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在前面通過借助Fluent模塊得到不同形狀構(gòu)筑物所受的阻力，可以得出，相比于圓球形和圓柱半球形，碟形構(gòu)筑物受到的黏壓阻力較小，尾流中的漩渦也會(huì)更少，在流場受力環(huán)境中會(huì)更加的穩(wěn)定，因此將對(duì)碟形構(gòu)筑物在不同系泊布置方案下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)做進(jìn)一步研究，將前期Fluent模塊計(jì)算出的阻力作為水流力系數(shù)矩陣導(dǎo)入到Aqwa模塊再進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

本文考慮的系泊布置形式可分為單索單點(diǎn)、三索單點(diǎn)和三索三點(diǎn)。

單索單點(diǎn)系泊即采用一根錨鏈進(jìn)行連接，一端與構(gòu)筑物連接，一端與海底相連[16]，單索單點(diǎn)建模如圖6所示，200和1 000 m3碟形構(gòu)筑物的錨鏈布置坐標(biāo)和采用的錨鏈規(guī)格參數(shù)表6所示。

圖6 單索單點(diǎn)系泊示意圖

表6 單索單點(diǎn)錨鏈參數(shù)

三索系泊即采用三根錨鏈連接，針對(duì)典型情況，設(shè)計(jì)了2種來流工況。每根錨鏈夾角為120°，海流從2根錨鏈中間流過[17]，來流工況如圖7、8所示。

圖7 來流工況1

圖8 來流工況2

三索單點(diǎn)系泊即將三根錨鏈連在構(gòu)筑物的同一點(diǎn)。三索單點(diǎn)系泊建模如圖9所示。表7為200和1 000 m3構(gòu)筑物錨鏈參數(shù)。

表7 三索單點(diǎn)錨鏈參數(shù)

圖9 三索單點(diǎn)系泊示意圖

三索三點(diǎn)系泊即將3根錨鏈連接在構(gòu)筑物上的3個(gè)位置。三索三點(diǎn)系泊建模如圖10所示。表8為200和1 000 m3構(gòu)筑物錨鏈參數(shù)。

表8 三索三點(diǎn)錨鏈參數(shù)

圖10 三索三點(diǎn)系泊示意圖

Aqwa模塊忽略了水流作用對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生的渦激振動(dòng)，因此無法準(zhǔn)確模擬出構(gòu)筑物在渦激振動(dòng)下的振動(dòng)響應(yīng)。構(gòu)筑物在單索單點(diǎn)系泊方式下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖11所示，可以看出構(gòu)筑物的運(yùn)動(dòng)周期非常長，這與實(shí)際情況明顯不符合，但Aqwa模塊能夠較為準(zhǔn)確的模擬出構(gòu)筑物在不同方向上的平均位移。本文的研究目的是比較不同系泊方式對(duì)構(gòu)筑物在水中穩(wěn)定性的影響，因此Aqwa模塊能夠滿足研究要求。

圖11 X方向位移

3.1 200 m3構(gòu)筑物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

200 m3構(gòu)筑物在不同系泊方式下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如表9所示。由表可知，不同系泊方式下的構(gòu)筑物都發(fā)生了不同程度上的運(yùn)動(dòng)。

表9 200 m3構(gòu)筑物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

200 m3構(gòu)筑物采用單索單點(diǎn)固定時(shí)不能夠穩(wěn)定下來，會(huì)在小幅度的范圍內(nèi)不停的波動(dòng)，而采用3根錨鏈固定時(shí)，2種固定方式下的構(gòu)筑物都能夠穩(wěn)定下來。構(gòu)筑物采用單索單點(diǎn)固定時(shí)，沿水流方向上的位移最為劇烈，最大位移接近6 m。在3種系泊固定方式下，構(gòu)筑物在Z方向上的位移都基本相同。采用三索三點(diǎn)系泊時(shí)，構(gòu)筑物繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大，達(dá)到了-6.9°，因?yàn)榭拷髅娴?根錨鏈的張力比較大，背流面錨鏈的張力較小，在浮力的作用下，導(dǎo)致構(gòu)筑物背流面那一側(cè)高于迎流面那一側(cè)，使轉(zhuǎn)角增大。在三索單點(diǎn)系泊下，構(gòu)筑物繞Y軸的轉(zhuǎn)角最小，只有0.65°。在2種來流工況下，各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本相同。

圖12 Z方向位移

圖13 繞Y軸轉(zhuǎn)角

因此，從運(yùn)動(dòng)響應(yīng)角度出發(fā)，當(dāng)構(gòu)筑物體積是200 m3時(shí)，采用三索單點(diǎn)系泊是最穩(wěn)定的固定方式。

3.2 1 000 m3構(gòu)筑物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

1 000 m3構(gòu)筑物在不同系泊下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如表10所示，在X方向上的位移和繞Y軸的轉(zhuǎn)角都要比200 m3構(gòu)筑物小，而在Z方向上的位移要偏大一些。

表10 1 000 m3構(gòu)筑物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

1 000 m3構(gòu)筑物采用單索單點(diǎn)系泊時(shí)也不能夠穩(wěn)定下來，會(huì)在小幅度的范圍內(nèi)不停的波動(dòng)，而采用3根錨鏈固定時(shí)，2種固定方式下構(gòu)筑物都能夠穩(wěn)定下來。構(gòu)筑物采用單索單點(diǎn)固定時(shí)，沿水流方向上產(chǎn)生了較大的位移，最大位移接近2.8 m，其次是采用三索三點(diǎn)系泊方式，而采用三索單點(diǎn)系泊方式產(chǎn)生的位移最小。在3種系泊固定方式下，構(gòu)筑物在Z方向上的位移也都基本相同。采用三索三點(diǎn)系泊時(shí)，構(gòu)筑物繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大，達(dá)到了-2.7°，而其他2種系泊方式下的轉(zhuǎn)角都在0.34°左右。在2種來流工況下，各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也基本相同。

綜上可以得出結(jié)論，在體積為200和1 000 m3時(shí)，碟形構(gòu)筑物采用三索單點(diǎn)固定方式的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小，采用單索單點(diǎn)固定方式會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，且可能會(huì)有較穩(wěn)定的振動(dòng)。在設(shè)定的2種來流工況下，構(gòu)筑物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本相同。

4 結(jié)論

(1)從水動(dòng)力角度分析，相同體積下，碟形所受的流阻力最小，球形構(gòu)筑物次之，圓柱-半球形阻力最大，所以碟形構(gòu)筑物更適合在流場環(huán)境中受力。

(2)碟形構(gòu)筑物采用單根錨鏈固定時(shí)，在水流的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，且不穩(wěn)定。而采用3根錨鏈進(jìn)行固定時(shí)，碟形構(gòu)筑物的位移都較小，且基本能夠維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)碟形構(gòu)筑物采用三索單點(diǎn)系泊在各個(gè)方向上的位移會(huì)比采用三索三點(diǎn)系泊情況下的位移要更小。