导管架平台隔水套管区域流场数值模拟分析

导管架平台隔水套管区域流场数值模拟分析

董坤

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司工程建设中心，天津 300452)

摘要：考虑到局部流场是控制和决定流冰在隔水套管区内运动形态的关键因素，使用FLUENT软件,对渤海浅水重冰区某导管架平台的隔水套管区内的流场进行数值模拟，统计可能发生碎冰滞留的区域分布比例，并根据不同入流方向进行评估，结果表明，隔水套管区内局部流场的滞留效应是导致碎冰堆积的主要诱因。

关键词：导管架平台；碎冰堆积；流场；数值模拟

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.011

中图分类号：U661.1;P751

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0036-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一董坤 (1981-)，男，学士，工程师

Abstract:Local flow field is the key factor affecting the motion patterns of the drift ice in the region of the drill conductor. The FLUENT software is used in to simulate flow field of the region of conductor of a jacket platform in the shallow area with heavy ice in Bohai sea. The distribution of possible regions of rubble ice retention is counted, and the results are evaluated according to different inflow directions. The numerical results show that the local flow field in conductor area of the retardation effect is the main causes to lead to accumulation of crushed ice.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程设计、建造和工程项目管理

E-mail:dongkun@cnooc.com.cn

我国冬季有冰海域的导管架平台隔水套管区极易发生碎冰堆积现象[1]，见图1。这样的碎冰堆积规模通常将引发的一系列棘手的工程问题。

图1　渤海辽东湾平台冰堆积

导致冰灾害的诱因有多种，其中导管架平台隔水套管区的滞留效应是最重要的诱因之一[2]。究其根源，这主要是因为外部流场经过导管架平台隔水套管区时将发生绕流，产生漩涡，致使流速降低，从而碎冰不能随着海流被及时清除。因此，关于浅水重冰区导管架平台碎冰堆积进程的研究，首先从分析关键性诱因产生规律入手。本文采用FLUENT软件模拟该区域的流场，通过分析局部流场变化情况，形成对碎冰滞留-堆积进程的预判。

1数学模型与计算模型

1.1控制方程

流体流动满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这些定律在流体力学中的体现就是相应的连续性方程和N-S方程[3-6]。

按照质量守恒定律，流入的质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增量，由此可导出流体连续性方程的积分形式为

(1)

式中：Vol——控制体；

A——控制面。

对于不可压缩均质流体，质量密度为常数，在直角坐标系下可将其简化为如下微分形式。

(2)

数值模拟计算中将主要采用二维数值模拟，因此连续性方程为

(3)

对海洋工程流体问题而言，流体的质量密度和黏性系数都是常数，此时的N-S方程矢量形式为：

(4)

若不考虑流体的黏性，则由上式可得理想流体的运动方程Euler方程如下。

(5)

模拟采用湍流模型。雷诺平均N-S方程是流场平均变量的控制方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论[7]。湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理N-S方程可以得出雷诺平均N-S方程。再引入Boussinesq假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数(即湍流黏性系数)的计算。

标准k-ε模型具有稳定性、经济性和比较高的计算精度标准。k-ε模型通过求解湍流动能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程得到k和ε的解，然后再利用k和ε的值计算湍流粘度，最终通过Boussinesq假设得到雷诺应力的解。RNGk-ε模型在形式上类似于标准k-ε模型，但是在计算功能上强于标准k-ε模型，其改进措施主要有：在ε方程中增加一个附加项，使得在计算速度梯度较大的流场时精度更高；模型中考虑了旋转效应，因此强旋转流动计算精度也得到提高；模型中包含了计算湍流Prandtl数的解析公式，而不像标准k-ε模型仅用常数；标准k-ε模型是一个高雷诺数模型，而RNGk-ε模型在对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。在本文的模拟中采用RNGk-ε模型。

1.2计算模型

根据实际平台隔水套管区在Gambit中建立几何模型，为消除边界对于流场内部的影响，建模中设计的计算域为平台区域横向和纵向的各3倍左右。划分网格时按照关心区域细化，其他区域略粗化的原则进行[8]。平台区域流场的计算模型如图2所示。

图2　CEPD平台区域流场数值分析模型

2数值计算及结果分析

海冰从不同方向(冰攻角)通过平台时，也将产生不同的碎冰堆积效应。由于海上冰排是汇集了水流和风的能量而发生漂移运动的，因此，在数值模拟中将同时关注主风向和主流向。根据本文目标平台所处海域的主风向SSW和NNE，主流向NE-SW，结合平台布置方向，在数值计算中设置5种冰攻角作用条件。冰攻角0°和180°对应主流向；冰攻角22.5°和-157.5°对应主风向；同时考虑一种风和海流综合作用下可能产生最大规模碎冰堆积规模的冰攻角，即-90°冰攻角。入流速度采用锦州湾9-3区平均流速0.4 m/s。

计算得到各入流方向下的流速分布见图3～7。

图3　0°来流方向下平台整体流场云图

图4　22.5°来流方向下平台整体流场云图

图5　180°来流方向下平台整体流场云图

图6　-90°来流方向下平台整体流场云图

图7　-157.5°来流方向平台整体流场云图

观察各流向的云图可发现，对于5种不同流向，流场在整个平台结构的阻流区内出现一定程度的滞流效应，尤其是在隔水套管阵列区域内部，滞流效应更加突出。所有导管的后侧流速均低于0.05 m/s。同时，由于流体绕过迎流破冰锥体后发生漩涡的泄放，因此，在沿流向后侧的两个破冰锥体与前侧破冰锥体间的区域，也存在一定程度的滞流效应。在上述这些区域内碎冰将无法顺流通过，进而发生滞留-堆积。

由于破冰锥体与井口区在不同流向情况下的相对位置不同，进而导致局部流场的滞流效应存在差别。因此，要对各流向情况下的局部流场滞流效应进行量化比较，引入漂浮冰块的临界启动速度概念。

由于漂移冰块体的运动主要受下部水流动力控制，因此，在分析研究漂浮冰块的运动状态时，常根据无量纲参数弗汝德数对冰块的运动进行判别。弗劳德数Fr的表达式如下[9]。

(6)

式中：v——碎冰块漂移速度；

g——重力加速度；

L——流场平均水深。

当Fr数小于0.03时，则漂移冰块在遭遇阻碍时将会发生滞留，难以启动运动状态。根据这一临界Fr数值，对该平台覆盖区域内的流场进行分析判别。根据现场水文资料可知，该平台所处海域的平均水深为8.9 m。由此计算出CEPD平台覆盖区域内碎冰块发生滞留的临界流速：vs=0.28 m/s。

提取井口区各计算点的流场速度值，整理得到该平台覆盖区域在5种整体流场行进方向下的速度分布统计情况，平台在5种来流方向下的滞留区域比例统计结果见表1。

表1　平台在五种来流方向下的滞留区域比例

相比较而言，0°入流时流场出现显著滞流效应的区域最大，这是由于迎流向的破冰锥与隔水套管阵列区距离过近，更易于发生碎冰块的滞留。整体计算结果表明，迎流破冰锥体与隔水套管阵列区距离较近时发生碎冰块滞留的区域面积，相对于距离较远时更大。

统计结果表明，-157.5°滞流效应要弱于其他流向，低于临界下潜速度0.28 m/s的速度滞留率为29.4%。而0°入流情况则为42.3%，22.5°、-180°及-90°分别为38.8%、39.0%及37.1%。

3结论

隔水套管区内局部流场的滞留效应随入流方向发生变化，当隔水套管区首先迎流时，局部流场的滞留效应最为显著。

参考文献

[1] 黄焱,史庆增,宋安.冰破坏机理的试验研究[J].中国造船.2003,44(Z)：379-385.

[2] HUANG, Y., SHI, Q.Z., SONG, A. Model test study of dynamic ice force on compliant conical structures[J]. China Ocean Engineering, 2007,1(1)：11-22.

[3] 徐元利,徐元春,梁兴，等.FLUENT 软件在圆柱绕流模拟中的应用[J].水利电力机械，2005,2(1):39-41.

[4] 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[5] 张亮,李云波.流体力学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.

[6] 韩占忠,王敬,兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[7] 是郧刚.湍流[M].天津大学出版社,1994:84-100.

[8] 季斌,洪方文,彭晓星.二维水翼局部空泡脱落特性数值分析[J].水动力学研究与进展，2008,23(4):412-418.

[9] FOLTYN E P, TUTHILL A M. Design of ice booms [R]. Hanover: U.S. Army CRREL, 1996.

Numerical Simulation and Analysis of the Flow Field

in the Jacket Platform Conductor Area

DONG Kun

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: jacket platform; rubble ice pile-up; flow field; numerical simulation