基于CFD技术的半潜式钻井服务支持平台风荷载预报

谷家扬， 杨　琛, 刘为民， 卢燕祥

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)



基于CFD技术的半潜式钻井服务支持平台风荷载预报

谷家扬， 杨琛, 刘为民， 卢燕祥

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

摘要：该文基于N-S方程的DES湍流模型，对1∶50缩尺比半潜平台受到的风载荷、压力系数分布和平台表面附近流场进行了研究。将数值模拟风载荷和风倾力矩通过相似理论换算为实际值，并与规范计算值进行比较分析，结果显示，数值模拟值较规范计算值小。影响各结构和整个平台风载荷的主要因素有“遮蔽”效应和迎风面面积。由于干扰效应和“遮蔽”效应影响，导致不同倾斜角、风向角下平台所受风载荷不同。相同倾斜角度下，风载荷变化规律随着风向角的增大而不同；而相同风向角下，风载荷随着倾斜角增大而增大。“遮蔽”效应、倾斜角、风向角、结构位置和结构形状等对结构受压分布差异和平台表面附近流场有重要影响。

关键词：半潜式平台；风载荷；压力系数；流场；遮蔽效应

0引言

风载荷是深水海洋平台设计过程中需考虑的重要载荷之一，风载荷和波浪载荷的联合作用可使平台整体倾覆，导致平台失效。目前国际上对风载荷研究主要有实地监测、风洞试验和数值模拟三种方法。由于我国对深水海洋平台研究起步较晚，缺乏深水海洋平台风载荷实地监测数据，导致我国主要采用风洞试验和数值模拟方法对风载荷进行研究[1，2]。

Lee T S[3]通过风洞试验测量了比例尺为1∶218某海洋平台模型风载荷，结果表明，桩腿限制了浅水中平台运动性能，垂直方向上湍流风会使直升机甲板出现问题。Chen Q[4]通过风洞试验对不同风向角下速度分布进行了研究，结果表明，平均速度和脉动速度均方根在不同风向角下具有相异性。Chen Q[5]通过风洞试验对平台受压和受力进行了研究，结果表明，各构件在不同风向角下的压力分布规律及空隙对风载荷的影响。Boonstra H[6]通过DNV规范和实地监测两种方法对某半潜式海洋平台进行了风力计算和比较，结果表明，实地监测值仅为DNV规范计算的一半。EGON T D[7]通过风洞试验对一半潜式平台进行了研究，结果表明，试验风力载荷小于ABS规范计算值。陈维杰, 陈国明等[8]通过计算流体动力学方法(CFD)对不同风向角下导管架平台进行了风场三维数值模拟，结果表明，三维数值模拟可以很好地将流场压力等可视化视图展现出来，且得到了不同风向下风载荷变化趋势。曹明强，王磊等[9]采用数值计算和模型试验对某超深水钻井半潜平台风载荷进行了研究，结果表明，模块法计算风载荷的可靠性。林一，胡安康等[10]通过风洞试验获得不同风向角下干扰因子，并在此基础上采用数值模拟对干扰现象进行研究，结果表明，干扰现象对风载荷有重要影响。巩雪, 翟刚军[11]通过规范和风洞试验对平台体型系数进行了研究。林一，胡安康等[12]通过风洞试验、规范计算和数值模拟对平台载荷进行了研究，结果表明，数值模拟值小于规范计算值，而与风洞试验值相似。陈刚，汪怡等[13]采用风洞试验对平台平均风静力进行了研究，并将计算结果与规范计算值进行了对比分析。朱航，马哲等[14]通过风洞试验对1∶100比例下HYSY-981半潜式海洋平台进行了稳态梯度下抗风特性试验，并将结果与数值分析结果进行了比较，结果表明，两结果较吻合，并说明了数值方法的可靠性。朱航，马哲等[15]通过风洞试验和数值模拟对稳态梯度风下、不同工况的平台风载荷及表面压力分布进行了研究，两方法结果基本一致。

国内外学者对风载荷的研究主要集中在不同风向对平台风载荷的影响，但对倾斜角度和风向角度联合影响下的研究较少。因此，该文建立了BT-3500 TSV半潜式平台数值模型，采用DES湍流模型对不同倾斜角、风向角、极端风载荷下的平台所受风载荷、压力系数分布和平台表面附近流场进行数值模拟，并将计算结果与规范计算进行对比分析。

1数值模型与边界条件

该文以BT-3500 TSV为研究对象，其主要结构尺寸见表1。以平台基本结构图为参考，分别建立各工况数值模型，主要对平台下浮体、立柱、横撑、甲板箱、甲板、上层建筑等主要模块进行风载荷数值模拟，平台模型如图1所示。模型缩尺比为1∶50，为避免壁面效应带来影响，整个模型计算区域大小为10 m×6 m×4 m，平台中心距风速入口4 m，风速为7.275 m/s。通过倾斜角度、风向角度组合为不同计算工况，具体数值见表2，风向角示意图如图2所示。

图1　半潜式平台示意图　　　　　　　　　　　　图2　风向角示意图

项目参数项目参数项目参数总长83.00m立柱上甲板型宽77.35m水平横截面12.35m×13.65m长63.70m基线至甲板箱底高24.70m横向间距47.45m宽64.35m基线至下甲板高26.00m纵向间距47.45m高6.50m基线至上甲板高31.20m甲板箱横撑下浮体长59.80m直径2.00m长76.70m宽50.70m距基线高10.00m宽13.65m高6.50m高7.80m横向间距47.45m

表2　计算工况

采用以N-S方程为基础的分离涡数值模拟法(DES)对平台进行数值模拟计算，DES于边界层近壁区采用非稳定雷诺时均法(RANS)，而远场分离区采用大涡模拟法(LES)。

在划分网格时，将整个流域划分为若干区域进行网格划分，以此提高网格质量和控制网格数量。平台壁面及尾流区域采用精细网格并保证第一层网格位于粘性底层内，以保证数值模拟质量，其它区域采用较疏网格，以控制网格数量。

数值模拟计算区域边界条件设置如下：

(1) 入口边界条件：采用速度入口边界条件(Velocity-inlet)，风从入口均匀流入。

(2) 出口边界条件：采用完全发展出流边界条件(Outflow)。

(3) 数值计算域海平面、底部及左右边界条件：采用对称边界条件(Symmetry)。

(4) 平台表面边界条件：采用无滑移壁面边界条件(Wall)。

2计算结果及分析

2.1风载荷分析

表3为无倾斜下各结构风载荷所占份额，从表3中可以看出，立柱、甲板、甲板箱及其附属物和主上层建筑风载荷占据主要份额，而其它结构风载荷在90°风向和120°风向下风载荷所占份额才逐渐明显，分别为8.7%和16.1%。在0°～90°风向下，随着风向逐渐增大，立柱风载荷所占份额逐渐减小，这是由于随着风向逐渐增大，上层建筑迎风面积逐渐增大的缘故。虽然立柱和甲板在一定程度上也有增大趋势，但增加速率远没有主上层建筑部分快；甲板、甲板箱及附属结构所受风力随着风向增大，所占份额有一定减小趋势，但没有立柱所占份额减少得快。在90°～120°风向下，立柱及甲板所占份额变大，而主甲板所占份额减小。在120°风向下，甲板、甲板箱及附属结构所占份额达到最大，主上层建筑所占份额达到最小。此外，管子堆场和泥舱室风载荷达到最大。

表3　无倾斜下各结构风载荷所占份额(%)

根据相似理论，将数值模拟风载荷值转换为实际尺寸平台所受风载荷，并将实际平台风载荷与CCS规范、ABS规范和DNV规范计算值进行比较，如图3所示。由图3整体分析可知，数值模拟值较各规范值小，这主要是实际情况中“遮蔽”效应、干扰效应存在和规范采取保守计算的缘故，还有部分误差是由尺度效应所引起的，某些工况数值模拟变化规律和相应规范计算稍有不同。CCS规范和ABS规范计算值大小和变化规律基本相近，而DNV规范计算值虽整体与CCS规范、ABS规范变化规律相似，但某些相应风向角计算值和前两种规范计算值大小相差较大。由图3(a)可知，各方法计算值变化规律均近似于正弦曲线，CCS和ABS计算值吻合程度较高，而DNV计算值变化幅度较大，这与各规范对不同结构体型系数等选取有关。由于迎风面面积增大的缘故，风载荷在风向角0°～60°内逐渐增大；而60°～90°内风载荷逐渐减小是由于迎风面积减小，“遮蔽”效应减弱所引起；风载荷在90°～120°内逐渐增大直至最大值出现。由图3(b)可知，规范计算值关于风向角0°具有一定的对称性，这主要缘于平台主要受风载荷结构在一定风向角上迎风面积相似从而导致风载荷变化曲线对称；数值计算在0°～10°间具有减小趋势，在风向角10°时达到最小值，而在10°～20°内风载荷逐渐变大。从图3(c)可知，CCS规范和ABS规范计算值在10°～30°增长较快，而后增长放缓；而DNV和CFD风载荷在风向角20°～40°增大较快。由图3(d)可知，DNV规范计算值在整个风向角下增长较其它两规范均匀，而CFD计算值在风向角40°～50°下有所减小，这可能是受风载荷作用的结构不同、尾流场作用的不同等因素引起。

图3　各工况下不同风向角风载荷

图4所示为工况3和工况4(倾斜角分别为5°和17°)下风载荷及风倾力矩统计，由图4可知，同一风向角下，倾斜17°平台所受风载荷和风倾力矩均较倾斜5°下的大，其中工况4下的风载荷约为工况3的1.5倍，而风倾力矩约为2倍，这主要是平台受风作用的结构不同，即受风面积不同，从而导致风载荷不同、风倾力矩不同。通过图3、图4可知，风载荷和风倾力矩随着倾斜角度的增大而逐渐增大。

图4　不同倾斜角度下风载荷及风倾力矩

2.2压力系数分布

图5为风向角30°、不同倾斜角度下压力系数分布。由图5可知，由于风的直接撞击作用，迎风面压力系数值较大，而与直升机甲板相连的主上层建筑背风面后较大区域压力系数为负，“遮蔽”效应明显，且倾斜角度越大，负压区越大。在风向角30°下，上游立柱尾涡分离后，作用于下游立柱迎风面处。立柱边界层附着于立柱之上，且其下压力为负，随着尾涡的形成，压力随之增大，尾涡分离时立柱尾后受压为负。通过图5(c)可知， 迎风面下浮体受压基本为正，由于下游下浮体位于上游尾流场缘故， 导致下游下浮体上表面受到

图5　风向角30°、不同倾斜角度下压力系数分布图

负压作用，此外，下浮体背流面均受到负压作用。通过图4(b)和图4(c)可以看出，由于横撑位于上游立柱尾后，导致与立柱相连的部分区域受压为负；横撑上部分为负，这部分是横撑表面尾涡释放部分，下部分为迎风作用处。图5(a)迎风上层建筑直角拐弯处有负压形成，此处风流速度较小；而图5(b)和图5(c)平台倾斜下，由于主上层建筑前端长凸起结构尾流的作用，导致下游小凸起处尾后甲板上端有负压区形成，且倾斜角度越大，负压越明显。甲板上吊机随着倾斜角度增大，所受正压作用越来越小。

2.3平台表面附近三维流场分布

图6所示为风向角0°、不同倾斜角度下平台表面附近流场分布。平台表面附近流场反映的是速度大小、漩涡和回流等流场特性。通过图6可知，漩涡、撞击和回流等现象在平台拐角和结构与结构之间极易发生，主上层建筑背风面极易形成小速度场和回流，因此此部分极不利于废气的排放，结构物密集处和结构与结构之间风流较为复杂，风场更为紊乱。在“遮蔽”效应下，下游结构物附近为小速度风场，且回流居多，小速度是缘于上游结构边界层流从下游结构上方流过，回流是由于上游结构尾流与下游风场共同作用的结果。

图6　风向角0°、不同倾斜角度下平台表面附近流场分布

3结论

该文通过数值模拟和规范计算对不同倾斜角和风向角共同影响下的平台风载荷、风倾力矩、压力系数分布和表面附近流场进行了研究，主要结论如下：

(1)立柱、下浮体、甲板、甲板箱、直升机甲板及其相连主上层建筑为平台所受风载荷主要结构；“遮蔽”效应和迎风面面积是影响各结构及整个平台所受风载荷的重要因素。

(2)由于规范设计采取保守计算，导致数值模拟值较规范计算值小，由于“遮蔽”效应、干扰效应和尺度效应影响，使得各工况数值模拟值各不相同。

(3)相同倾斜角度下，各风载荷随着风向角的增大变化规律各不相同，相同风向角下，风载荷和风倾力矩随着倾斜角度的增大而逐渐增大。

(4)迎风面压力系数为正，而“遮蔽”效应下结构和拐角处一般受负压作用，随着倾斜角度的增大，“遮蔽”效应范围越大，即负压区越大。

(5)倾斜角度、风向角度和结构体型是影响流场的重要因素，漩涡、回流和冲撞等现象在不同结构间隙处和“遮蔽”区下极为明显。

参考文献

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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

中图分类号:P751

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0042-07

作者简介：谷家扬(1979-)，男，副教授。