基于FLUENT的圆筒形海工平台外部流场数值模拟

陈一山， 孙桂芳， 郇学东， 王占栋， 张永康

(东南大学，南京 211189)

基于FLUENT的圆筒形海工平台外部流场数值模拟

陈一山， 孙桂芳， 郇学东， 王占栋， 张永康

(东南大学，南京 211189)

为了探究浮态制造过程中风和浪的作用下圆筒型海工平台附近流场信息，基于Fluent对风和浪作用下圆筒型海工平台外部流场进行数值模拟。结果表明：由于圆筒型海工平台的阻碍和流体的粘性，平台迎风面一侧表面压强较大，附近液面较高，空气和水流速较慢；平台背风面附液面较平，空气和水流速较小；平台两侧液面较低，但空气和水流速较快；同时在迎风面和背风面均有漩涡存在。研究结果对于圆筒形海工平台制造具有指导意义。

圆筒形海工平台；Fluent；外部流场；风浪

0 前言

随着全球经济的飞速发展, 人类对石油的需求不断增长，然而陆地上以及近海岸的油气资源日渐枯竭，进军深海已成为必然趋势[1]。全球油气资源总量约34%是海洋油气资源，我国海域辽阔，海洋资源丰富，渤海、黄海、东海和南海蕴含的海洋油气资源储量也非常巨大。然而我国油气资源开发的技术水平不高，特别是一些世界领先的科学技术比较少，与先进水平还有很大的差距[2]。因此，深海油气钻井平台作为实现海洋油气资源勘探的超大型高端装备，对其进行研发和建造对于国家能源安全具有重要战略意义。

图1 圆筒形深海钻井储油平台SEVAN 650

在研制国际首座第六代圆筒形深海钻井储油平台SEVAN 650 (如图1所示)过程中， 由于制造条件特殊和平台下水困难，张永康提出了一种新的制造方法——浮态制造[3]。它将水的浮力作为支撑，先以半潜驳船作为制造平台，并结合水下旋转工艺来完成平台底层的制造。当半潜驳船下沉撤离后，再将漂浮在水面上的已建好的平台底层作为制造平台，以“分层叠加，逐层制造”的方式来完成整个钻井储油平台的制造[3～5]。在浮态制造过程中，由于分段的定位和安装基准是漂浮着的平台底层，因此，要确保平台的制造精度，保证平台有足够的稳定性，浮态制造水域的流场特性研究对于海工平台浮态制造方法具有重要意义。

由于浮态制造这一新的非传统制造方法属于原始创新，国内外相关研究文献很少。Alfonsi G[6]对速度势、欧拉方程和纳维-斯托克斯方程三种理论框架下，大尺寸侧壁式垂直圆柱体线性波绕流现象进行了数值模拟；苏甲[7]基于OShip软件对船舶的绕流场进行数值模拟，并与模型试验结果进行了对比；沈翰[8]研究了浮态制造过程中巨型海工平台在波浪作用下，制造基底运动和变形对制造精度的影响。然而目前对于浮态制造过程中巨型圆筒形海工平台在风和浪同时作用下，其外部流场的研究还没有。

该文利用N-S方程，对风、浪作用下圆筒形深海半潜式钻井平台SEVAN 650外部流场进行数值模拟分析，得到流场的压力、自由液面高度、速度等信息[9～12]。利用Pro/E建立三维模型，ANSYS ICEM CFD绘制网格，再运用FLUENT流体仿真软件，选用SST k-ω模型和VOF模型，采用有限体积法和PISO算法进行计算分析。

1 模型描述

1.1 几何模型及网格划分

该文以圆筒形深海钻井储油平台SEVAN 650为例，图2 为作为制造基底的平台底部简化后的几何模型主视图和俯视图。制造基底的主尺寸为Φ84×16.7 m，吃水深度为5.75 m。假设风、浪同向，从漂浮着的圆筒形海工平台一侧流向另一侧。

图2 制造基底的几何模型

流域一般选用长方体，根据平台实际尺寸选用适宜的流场区域。该文计算流场域为600 m × 500 m × 80 m。平台位置处于距入水口处约150 m，距计算域底部约20 m，距计算域外侧250 m处的中心位置上，流体计算域如图3所示。

图3 流体计算域

一般情况下，为了尽可能多地减少计算机内存负荷，应建立较多的结构性网格，但是结构性网格并不适应非定常流动，特别是存在波浪的情况下，故该文计算所采用的是非结构性网格，而且对于非定常的流体计算，采用非结构网格不易导致计算发散[13,14]。全局网格最大尺寸设置为16 m，制造基底与流场接触，需要细分网格，提高计算精度，所以平台表面的局部网格最大尺寸设置为2 m。此外，由于使用明渠波浪边界[15]产生波浪，空气与水之间存在明显的分界面，所以液面附近网格也需要细化，设置一密度盒，大小为2 m，宽度为1.3 m，使得细化区域高度大于波高，其他保持默认设置，生成网格。圆筒形海工平台表面网格如图4所示，计算域网格如图5所示。

图4 海工平台表面网格

图5 计算域网格

1.2 数学模型

1.2.1 连续性方程

1.2.2 动量守恒方程

式中: vx、vy、vz分别为流体粒子在空间三维方向x、y、z上的速度分量，m/s；ρ为水的密度，kg/m3；μ为动力黏度，N·s/m2；p为流体粒子上的压力，Pa；fx、fy、fz为流体粒子在空间三维方向x、y、z上的体力，N/m3。

由于无法直接求得上述质量守恒方程(1)和动量守恒方程(2)的普遍解，所以必须对控制方程进行离散化，从而运用计算流体力学软件来求得近似解。

1.2.3 剪切应力输运k-ω模型

该文中流场处于湍流状态，因此采用剪切应力输运k-ω模型。剪切应力输运k-ω模型，简称SST k-ω模型，结合了k-ω模型在近壁面计算的优点和k-ω模型在远场计算的优点。与标准k-ω模型相比，SST k-ω模型中增加了横向耗散导数项，同时湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，模型中使用的湍流常数也有所不同，这些特点使得SST k-ω模型的适用范围更广[16]。

1.2.4 VOF模型

模拟分析过程中存在两种不相容流体：空气和水。这两种流体之间存在着明显的分界面，且在整个计算过程中分界面是运动的，所以采用VOF模型来计算流动过程中分界面的时空分布。它是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪模型方法[17]，主要用于跟踪两种或多种不相容流体的界面位置。在VOF模型中，界面追踪是通过求解相连续方程完成，由求出体积分量中急剧变化的点从而来确定分界面的位置。

1.3 边界条件

模型建立完成后，必须将流体流动的初始条件和模型的边界条件赋予计算域。入口边界采用速度入口，风速设置为3.4 m/s，使用明渠边界创建波浪，其参数见表1。出口边界采用压力出口，该边界条件可以处理出口有回流问题。钻井平台表面以及计算域除进出口边界之外的四个边界均采用无滑移边界条件。

表1 波浪参数

2 模拟结果及分析

2.1 圆筒形海工平台表面压强云图

图6是在风和浪作用下，圆筒形海工平台在浮态制造过程中的表面压力云图。由图6可知，迎风面一侧压强较大，随着时间推移，最大值逐渐稳定在8.15×104Pa左右，位于平台液面下2.35 m位置处，由于承受波浪直接冲击和风的作用，所以压力最大值并不是随着水深增加而位于平台底部。由于没有受到波浪的直接冲击和风的作用，背风面所受压强小于迎风面，压强最大值在平台底部。

2.2 自由液面高度分布云图

图7是在风和浪的作用下，在浮态制造过程中的自由液面的高度分布云图。由图7可知，圆筒型海工平台迎风面一侧附近液面较高，最大值为7 m左右，距平台上表面约3 m，而背风面一侧液面变化较小，而两侧液面较低。这主要因为海工平台的存在，严重影响了风和浪的传播，平台的迎风面产生的反射波与入射波叠加，使得液面高度局部增大；背风面风和浪作用较小，液面变化较小；由于流体的粘滞性，水流过平台时，平台两侧附近液面变低。同时发现，圆筒型海工平台对于波浪传播影响非常大，平台附近大范围的波形遭到了严重破坏。

图6 圆筒形海工平台表面压强云图

图7 自由液面高度分布云图

2.3 深海钻井平台附近速度矢量图

图8是沿风浪速度方向，圆筒形海工平台中心竖直截面上的速度矢量图。图9是圆筒形海工平台附近液面上的速度矢量图。由图8可知，离钻井平台较远处，风速、波速均为设定的初值，分别为3.4 m/s和10.49 m/s。平台上方附近，由于平台的粘滞作用，风速小于初始值；由于平台阻碍波浪的传播，下方水流变急，速度大于初始值；而平台迎风面和背风面附近，风速和波速均小于初始值。由图9可知，平台两侧波速大于初始值。由图8、图9可知，在平台的迎风面和背风面风均产生漩涡；在背风面，水流也产生漩涡。

图8 圆筒形海工平台中心竖直截面上的速度矢量图

图9 圆筒形海工平台附近液面上的速度矢量图

3 结论

(1) 由于风和浪的冲击作用，圆筒形海工平台的迎风面的局部压强很大，远大于背风面。在浮态制造过程中，必须对直接遭到风、浪冲击的迎风面局部压强最大处，即平台液面下2.35 m位置处进行保护，以免影响海工平台的制造精度以及质量。

(2) 圆筒形海工平台迎风面一侧，由于波浪叠加，液面变高，距平台约3 m左右，背风面附近液面变化较小，而平台两侧液面由于粘滞作用而变低。同时，由于海工平台的存在，对于海工平台附近波形产生了严重的破坏。平台迎风面附近液面高度最大值约为7 m，而海工平台作为制造基底时，上表面位于液面上方约10 m，所以水流不会冲击到海工平台上表面而影响平台其他模块的制造。

(3) 圆筒形海工平台迎风面和背风面附近风速和波速均减小，而两侧速度增大。同时，在迎风面一侧，空气产生漩涡；而在背风面附近，空气和水均产生漩涡。以平台作为制造基底，吊装其他模块时，由于平台两侧风速较大，为了保证制造精度，应避免从平台风速较大的两侧开始吊装，而应由平台中心开始逐渐向外依次吊装。所要吊装的模块离平台中心距离相近时，应优先吊装迎风面或背风面附近的模块，然后再以吊装好的模块和平台为基准，吊装风速较大的平台两侧的模块。

(4) CFD可以很容易的实现流场计算，并提供大量详细的流场信息，省时省力，具有试验研究无法比拟的优点，其结果对于制造研发具有很强的指导意义。

[1] 张武. 海工装备制造喜迎千亿市场[J]. 中国设备工程, 2014,30(7): 12-17.

[2] 柯鑫剑. 海洋油气资源开发技术发展的思考[J]. 山东工业技术, 2015,28(3): 82-83.

[3] 张永康,张朝阳,王飞,等. 海洋工程装备的大尺寸浮态制造方法[P]. 中国, 201110360660.7. 2012.

[4] 王飞. 圆筒型深水钻井储油平台浮态制造的关键问题研究[D]. 镇江：江苏大学, 2013.

[5] 江本帅,张永康,王匀,等. 大型海洋工程装备的浮态制造方法研究[J]. 机械设计与制造, 2013，51(4):165-167，171.

[6] Alfonsi G. Numerical Simulations of Wave-Induced Flow Fields around Large-Diameter Surface-Piercing Vertical Circular Cylinder [J]. Computation，2015，27(3): 386-426.

[7] 苏甲,蒋武杰,赵强. 基于OShip软件的船舶绕流场数值模拟与分析[C]. 北京：第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会论文集，2014.

[8] 沈翰. 巨型圆筒形海工平台浮态超常制造过程的流固耦合分析[D]. 镇江：江苏大学, 2013.

[9] 陈刚,吴晓源. 深水半潜式钻井平台的设计和建造研究[J]. 船舶与海洋工程, 2012，28(1):9-14.

[10] 兰雅梅,郭文华,宋秋红,袁军亭. 基于VOF方法的造波、消波技术[J]. 中国海洋平台, 2010，25(1):22-25，31.

[11] 董志,詹杰民. 基于VOF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究[J]. 水动力学研究与进展(A辑), 2009，24(1):15-21.

[12] 陶毅涵. 基于CFD的规则波中船舶波浪力模型研究[D]. 大连：大连海事大学, 2014.

[13] 王健. 基于FLUENT的CFD方法在船海工程中的实用性研究[D]. 大连：大连理工大学, 2012.

[14] Canabes J P G. Direct Numerical Simulation of the Flow Past a Curved Circular Cylinder [D]. Norwegian University of Science and Technology, 2010.

[15] 胡坤,李振北. ANSYS ICEM CFD工程实例详解[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2014.

[16] 年继业. 基于Fluent的浮船坞抱桩泊碇外力计算研究[D]. 大连：大连理工大学, 2013.

[17] 常欣,郭春雨,王超,等. Fluent船舶流体力学仿真工程应用基础[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2011.

Numerical Simulation of External Flow Field of the Cylindrical Offshore Platform Based on Fluent

CHEN Yi-shan, SUN Gui-fang, HUAN Xue-dong, WANG Zhan-dong, ZHANG Yong-kang

(Southeast University, Nanjing 211189， China)

Numerical simulation of the external flow field of the cylindrical offshore platform is carried out based on Fluent to explore the external flow field around the cylindrical offshore platform under the action of wind and wave. The results show that there is a larger pressure on the surface, higher liquid level, and slower velocity of air and water around the windward side of the platform because of the obstruction of the cylinder offshore platform and the viscosity of the fluid. The liquid surface is flat and velocity of air and water is slower around the leeward side. In both sides of the platform, liquid level is lower, but the velocity of air and water is faster. At the same time, there are vortexes near the windward and leeward side. The research results can provide areference basis for the manufacturing of the cylindrical offshore platform.

cylindrical offshore platform; Fluent; external flow field; wind-wave

1001-4500(2016)06-0062-06

2015-12-17

江苏省工业支撑计划(No. BE2013119)，江苏省产学研项目(No. BY2015070-05)。

陈一山(1989-)，男，硕士研究生。

P75

A