流花4－1油田海域近海面风场特性分析

杜 宇，武文华＊，岳前进，李 锋，谢日彬，李 平

（1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中海油深圳分公司，广东 深圳 518067）

0 引 言

风荷载是海洋结构主要设计荷载之一，在海洋结构抗风设计中认为风荷载由静力项和脉动项组成.在近海固定式平台的设计中，由于平台结构刚度相对较大，在设计中通常只考虑静风荷载的影响，而忽略脉动项.随着海洋资源开发逐渐向深远海发展，大型浮式海洋结构得到广泛应用，风荷载中脉动项对浮式结构的定位能力，以及对平台管道、拉索和薄壁等附属结构产生的颤振、抖振和涡激振动等问题愈发显著，使得海洋结构中脉动风特性的研究受到了广泛的重视.

目前国内外针对各类结构已经开展了大量风场特性实测研究，包括对超高层结构脉动风场特性研究［1－3］，近地面脉动风场特性研究［4－6］，大跨桥梁脉动风场特性研究［7－8］等.然而针对海洋结构近海面风场特性研究开展的工作相对较少.Ahmad等对张力腿平台的脉动风特性开展了研究，对海洋平台结构在动风荷载激励下6个自由度响应特征进行了分析［9］；Morandi等在北海Hutton TLP平台上开展了台风实测研究，捕获了强台风Lili过境时的风场信息，以此对该海域强风天气下的风场特性开展了研究［10］；Korps等利用北海一处油田实测获得的1年期风要素信息，对此油田的风分布特点和脉动特性进行分析，以此作为发展风力驱动平台的可行性分析基础［11］.欧进萍等对我国渤海海域1965～1986年间12个气象站的监测数据进行统计，给出了渤海海域的风场特性统计［12］；肖仪清等基于近海海面实测数据的分析，对台风黑格比的脉动风特性进行了分析，对台风过境过程进行了研究［13］；Hu等在南海奋进号FPSO 上进行了现场监测工作，获得了长期的风参数信息［14］.

上述工作大都只是针对海岸和浅海位置的风特性研究，在南海开展的工作也没有考虑到脉动风对海洋结构物产生的影响.近年来我国对于南海海洋资源开发需求日趋迫切，为保证大型海洋资源开发装备的安全，在我国南海深远海开展实测脉动风特性的研究，进而促进南海海洋结构抗风性能的研究是十分必要的.

本文基于在我国南海流花4－1油田海域进行的现场原型监测工作，通过对风要素样本进行选择与分析，由典型原型实测数据获得流花4－1海域脉动风速、湍流强度和湍流积分尺度等风特性信息，并对各类风特性随平均风速变化的分布特点和相互之间的相关性进行讨论.最后对分析样本中1h 的风数据进行风谱拟合，并与NPD 和API 规范中给出的风谱以及Davenport 谱、Kaimal谱及von Karman谱进行比较.基于实测数据的脉动风特性分析，不但可以为新海洋结构抗风设计提供依据，也可以作为对在役海洋结构抗风行为预测的参考.

1 南海流花4－1油田海域风要素测量

流花4－1油田位于香港以东215km，如图1所示，作业水深300m，是我国南海重要的深水油田.该海域地处亚洲季风区，夏季受台风影响，冬季受长期的冬季季风影响.2006年流花4－1油田海域遭受超强台风作用，导致一艘FPSO 系泊失效，因此对该海域风特性的研究是十分必要的.

图1 南海流花4－1油田位置Fig.1 Location of LH4－1oil field in South China Sea

本文在流花4－1油田半潜平台上建立了风荷载测量系统.风速测量采用的是英国Gill公司的WindMaster Pro超声风速仪，它可以测量定点三维风速风向信息，灵敏度为0.01 m／s，测量精度优于0.1m／s，以北向为0°方向.布置位置为平台船艉吊机灯台上（如图2所示），是平台除火炬塔外的高点，通过GPS测量该位置的平均海拔高度为39m.实测风数据通过自主研发的自适应采集器进行采集和存储.

图2 平台上的超声风速仪Fig.2 Ultrasonic anemometer on platform

2 实测数据风特性分析

分析样本取自监测周期内风速较大、风向稳定并来自船艉的2011－09－22全天24h的数据，以10min为基本时距做平均的样本风速和风向曲线如图3所示.所取样本测得最大瞬时风速20.03 m／s，以10 min 为基本时距测得最大平均风速16.73m／s，10min平均风速基本稳定在10～15 m／s，属于强风天气.样本风向变化较小，稳定在148°左右，与船艉方向一致，认为风数据没有受到火炬塔影响.

图3 2011－09－22的10min平均风速风向曲线Fig.3 Mean wind speed and direction per 10min recorded in 2011－09－22

2.1 脉动风速分析

对风特性的分析采用矢量分解法，以10min为基本时距确定主风向，再通过矢量分解法获得脉动风速.设水平平均风速和风向角分别为U和，ux（t）和uy（t）分别为测量获得的水平风速分量，则根据矢量分解法有

同时给出垂向风的脉动风速计算公式，W为基本时距内垂向风平均风速，uw（t）为测得垂向风风速，则垂向脉动风速

通过式（1）～（5）可以确定选取的测量样本3个方向的脉动风速，得到的脉动风速曲线如图4～6所示.

2.2 湍流强度与阵风因子

湍流强度定义为风的脉动分量平均变化幅值（即脉动风标准差）与标准时距平均风速的比值.计算方法如下：

图4 纵向脉动风速Fig.4 Longitudinal fluctuating wind speed

图5 横向脉动风速Fig.5 Lateral fluctuating wind speed

图6 垂向脉动风速Fig.6 Vertical fluctuating wind speed

图7 平均风速与湍流强度关系曲线Fig.7 Relation curve between turbulence intensity and mean wind speed

其中Iu、Iv和Iw分别为3个方向脉动风的湍流强度，σu、σv和σw分别为3个方向脉动风的标准差.图7为湍流强度随平均风速的变化关系，纵向和横向湍流强度随平均风速增大而明显减小，垂向湍流强度基本维持在0.05左右.在风速增大超过15m／s时，纵向和横向湍流强度逼近垂向湍流强度.3个方向平均湍流强度如表1所示.

表1 3个方向平均湍流强度Tab.1 Mean turbulence intensity of 3directions

将3个方向平均湍流强度换算成为三维湍流强度比为Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.498 9∶0.204 4，测量结果与陆地建筑规范中规定的1∶0.88∶0.50比值存在比较大的差别，因此在海洋结构物抗风设计时需要特别关注与陆地不同的湍流强度比.

为了研究最大阵风对结构的影响，对用于表述阵风持续期内最大风速与标准时距内平均风速比值的阵风因子Gi（tg）（i＝u，v，w）进行实测分析.根据规范要求，tg取值3s.

图8～10分别为3个方向上阵风因子与平均风速之间的关系，由图可以看出，3个方向的阵风因子都随着平均风速的增加而略微减小，同时可以看出，纵向脉动风的阵风因子在3个方向中最大，说明纵向脉动风波动性最强.

2.3 湍流积分尺度

湍流运动中不同湍流漩涡参与程度不同，湍流积分尺度是脉动风中湍流漩涡的平均尺寸的度量，用于反映脉动风速空间相关性的强度.对于空间风场，可以定义9个湍流积分尺度，以纵向脉动速度相关的纵向湍流积分尺度Lxu为例：

其中Ru1u2（x）表达空间两不同位置纵向脉动风速u1＝u（x1，y1，z1，t）和u2＝u（x2，y2，z2，t）的互协方差函数，t为时间.由于对空间中不同位置进行风速测量难以实现，通常都是利用单点测量估计整个风场，因此对计算湍流积分尺度应用比较广泛的方法是基于Taylor假设，简化为单点测量的分析.假设湍流漩涡以平均风速U在风向上进行迁移，则湍流积分尺度计算简化为

其中Ru（τ）为脉动风速的自相关函数，τ为积分的时间尺度，通常积分上限取为Ru（τ）减小到0.05处的τ值.

利用Taylor法对被测样本湍流积分尺度的分析，得出了纵向、横向和垂向湍流积分尺度平均值分别为291.9、234.0和79.0m，最大值分别为1 185.3、1 130.0和760.0 m.由于海面空旷，通过平均值和最大值可以发现，湍流积分尺度在纵向和横向之间区别并不大，但是明显大于垂向的积分尺度.此外与陆地和近海海面其他监测结果比较［1，7，13］，可以发现在相同计算方法下流花4－1油田海域具有相对比较大的湍流积分尺度.

图8 平均风速与纵向阵风因子关系曲线Fig.8 Relation curve between longitudinal gust factor and mean wind speed

图9 平均风速与横向阵风因子关系曲线图Fig.9 Relation curve between lateral gust factor and mean wind speed

图10 平均风速与垂向阵风因子关系曲线Fig.10 Relation curve between vertical gust factor and mean wind speed

为了详细分析湍流积分尺度变化特点，绘制了时间尺度下的纵向和横向湍流积分尺度曲线，如图11、12所示.纵向、横向湍流积分尺度发生最大位置在9h左右，其后风速变化剧烈，引起比较强的湍流积分尺度变化，此时并不是风速最大位置，类似的发生在18h和21h左右，因此可以发现湍流积分尺度并不与风速呈现简单的线性关系.

图11 纵向湍流积分尺度随时间变化Fig.11 Time domain of longitudinal integral scale of turbulence

图12 横向湍流积分尺度随时间变化Fig.12 Time domain of lateral integral scale of turbulence

图13为平均风速与湍流积分尺度关系，可以印证之前的结论，整体上湍流积分尺度随着平均风速的增加而呈增加趋势，但是体现出了一定的离散性，最大值也并不发生在风速最大处.随着风速的增加，离散性愈发强烈，没有固定的规律.因此在海洋结构抗风性能设计时，应当根据不同海域的实测结果作为参考.

2.4 脉动风功率谱密度

脉动风功率谱是海洋结构抗风设计的重要参量，表征了不同频率湍流漩涡的贡献.目前大量的风谱形式被广泛应用，比较普遍的有von Karman谱、Kaimal谱和Davenport谱等.选择合适的风谱对结构抗风性能的设计具有重要的意义.

图13 平均风速与湍流积分尺度关系Fig.13 Integral scale of turbulence versus mean wind speed

根据文献［9］的建议，脉动风功率谱可以表达为量纲一的形式：

式中：a＝u，v，w；n为脉动风频率；Sa为脉动风功率谱密度函数；u＊为摩阻速度；fz＝nz／U，为莫宁坐标.分析中，u＊可由下式得出：

式中：k为冯卡门常数，取为0.4；z为测点高度，39 m；z0为粗糙度长度，按照Ⅰ类粗糙度类别取0.001m.

图14 纵向脉动风功率谱密度Fig.14 Longitudinal fluctuating wind power spectral density

图15 横向脉动风功率谱密度Fig.15 Lateral fluctuating wind power spectral density

选取样本数据中1h的数据进行实测脉动风功率谱的拟合，选取数据为11：30～12：30响应比较强烈的样本数据，平均风速14 m／s，平均风向156.34°，u＊＝0.325 5.图14和15分别为纵向脉动风功率谱密度和横向脉动风功率谱密度以及与其他风谱的比较.从比较中可以发现，Davenport谱对实测谱能量存在明显的低估；Kaimal谱对纵向脉动风功率谱拟合比较好，但是对横向脉动风功率谱拟合则存在能量低估的问题；Kaimal谱虽然整体拟合较好，但是对横向脉动风功率谱拟合依然存在高频能量低估问题.由此可见，对南海流花4－1油田附近海域，在抗风设计中可以考虑使用von Karman谱，但是使用基于实测数据拟合脉动风功率谱进行结构抗风设计更为准确.

3 结 论

（1）实测湍流强度和阵风因子随平均风速增加而下降.3个方向湍流强度在风速大于14m／s时逐渐趋于一致.

（2）实测湍流强度比值为Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.498 9∶0.204 4，与陆地和近海实测结构有比较大的区别，在海洋结构抗风设计中应予以特殊考虑.

（3）实测纵向、横向和垂向湍流积分尺度平均值为291.9、234.0和79.0m，大于一般陆地测量值，纵向和横向积分尺度差别不大.积分尺度随平均风速增加呈增加趋势.

（4）比较了拟合实测脉动风功率谱和各类型风谱，其中von Karman谱拟合最好，其他谱均存在能量低估问题；在实际抗风设计中，需要对被测海域长期测量数据进行分析，获得该海域实测脉动风功率谱.

［1］ 顾 明，匡 军，全 涌，等.上海环球金融中心大楼顶部风速实测数据分析［J］.振动与冲击，2009，28（12）：114－118，122，206.GU Ming，KUANG Jun，QUAN Yong，etal.Analysis of measured wind speed data on top of SWFC［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28（12）：114－118，122，206.（in Chinese）

［2］ 安 毅，全 涌，顾 明.上海陆家嘴地区近500m高空台风“梅花”脉动风幅值特性研究［J］.土木工程学报，2013，46（7）：21－27.AN Yi，QUAN Yong，GU Ming.Turbulence characteristics analysis of typhoon′Muifa′near 500 m above ground in Lujiazui district of Shanghai［J］.China Civil Engineering Journal，2013，46（7）：21－27.（in Chinese）

［3］ Li Q S，Xiao Y Q，Wong C K.Full－scale monitoring of typhoon effects on super tall buildings［J］.Journal of Fluids and Structures，2005，20（5）：697－717.

［4］ 徐 安，傅继阳，赵若红，等.土木工程相关的台风近地风场实测研究［J］.空气动力学学报，2010，28（1）：23－31.XU An，FU Ji－yang，ZHAO Ruo－hong，etal.Field measurements of typhoons according to civil engineering research［J］.Acta Aerodynamic Sinica，2010，28（1）：23－31.（in Chinese）

［5］ Cao S，Tamura Y，Kikuchi N，etal.Wind characteristics of a strong typhoon［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2009，97（1）：11－21.

［6］ 李宏海，欧进萍.基于实测数据的台风风场特性分析［C］／／第二届结构工程新进展国际论坛论文集.北京：中国建筑工业出版社，2008：299－307.LI Hong－hai，OU Jin－ping.Analysis for the characteristics of typhoon field based on measured data［C］／／Proceedings of the Second International Forum on Advances in Structural Engineering.Beijing：China Building Industry Press，2008：299－307.（in Chinese）

［7］ 李杏平，李爱群，王 浩，等.基于长期监测数据的苏通大桥桥址区风特性研究［J］.振动与冲击，2010，29（10）：82－85，251.LI Xing－ping，LI Ai－qun，WANG Hao，etal.Wind characteristics of Sutong bridge based on long－term monitored data［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29（10）：82－85，251.（in Chinese）

［8］ Miyata T，Yamada H，Katsuchi H，etal.Fullscale measurement of Akashi – Kaikyo Bridge during typhoon ［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2002，90（12－15）：1517－1527.

［9］ Ahmad S，Islam N，Ali A.Wind－induced response of a tension leg platform ［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997，72（1－3）：225－240.

［10］ Morandi A，Mercier J A，Bea R G.Performance of deepwater floating production facilities during hurricane Lili ［J］.Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference，2004，3：2069－2078.

［12］ 欧进萍，段忠东，陆钦年，等.渤海海域的风特性统计分析［J］.海洋通报，1997，16（1）：20－28.OU Jin－ping，DUAN Zhong－dong，LU Qin－nian，et al.Statistical analysis of wind properties in the Bohai Sea ［J］.Marine Science Bulletin，1997，16（1）：20－28.（in Chinese）

［13］ 肖仪清，李利孝，宋丽莉，等.基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究［J］.空气动力学学报，2012，30（3）：380－387，399.XIAO Yi－qing，LI Li－xiao，SONG Li－li，etal.Study on wind characteristics of typhoon Hagupit based on offshore sea surface measurements［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2012，30（3）：380－387，399.（in Chinese）

［14］ HU Zhi－qiang，YANG Jian－min，ZHAO Ying－nian，etal.Full scale measurement for FPSO on motions in six－degrees of freedom and environmental loads and deduction of mooring system loads［J］.Science China：Physics，Mechanics and Astronomy，2011，54（1）：26－34.