基于CFD的张力腿平台拖航阻力数值分析

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(1.大连理工大学船舶工程学院， 辽宁 大连 116023；2. 海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266000)

基于CFD的张力腿平台拖航阻力数值分析

张志康1，林焰1,刘广辉2,李强2,郭宁2

(1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116023；2.海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛266000)

张力腿平台(Tension Leg Platform， TLP)在出坞、建造和安装定位过程中，常常有拖航需求，为确定经济性好的拖带方案，通过雷诺平均法(Reynods Averaged Navier-Stocks, RANS)结合k-ε湍流模型对张力腿平台拖航阻力进行研究，基于CATIA软件二次开发功能快速建立计算域模型，用STAR-CCM软件生成多面体网格，用Fluent软件对不同平台吃水、航速和拖航角度下的拖航阻力、阻力系数和流场分布等特性进行数值模拟分析。利用回归分析提出张力腿平台拖航阻力的经验公式，实现张力腿平台拖航阻力的快速预报，为平台拖航施工提供指导。

张力腿平台；拖航阻力；阻力系数；Fluent

(1. Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Qingdao 266000, Shandong, China)

0 引 言

张力腿平台(Tension Leg Platform， TLP)是深水平台的主要型式之一，目前国际上在役和在建的TLP共有24座，工作水深为300～2 000 m[1]。TLP的运输及安装操作工序复杂，对环境和海上操作的要求较高，费用高且风险大，因此，安装前需要进行全面细致的分析。典型张力腿平台建成后，釆用半潜船干拖运输至距离安装地点较近的港口附近，主体结构浮卸后，将上部组块吊装到主体结构上组装成一体，湿拖到安装地点[2]。为了湿拖的安全性和经济性，还要根据海况条件计算拖航阻力，合理选配拖船，确定适宜的拖航方案。

在张力腿平台建造和安装过程中，需要对平台主体或整个平台进行湿拖作业，拖航性能是计算张力腿平台拖航经济性及效率的一项重要指标，如何快速准确地预报拖航阻力成为难点。研究海洋结构物拖航阻力比较直接的办法是采用水池或风洞模型试验，但费用高、时间长。工程上常见的做法是采用经验公式法(如CCS《海上拖航指南》[3]中的估算公式)。TLP与常规船型结构物不同，其水下部分为非流线型且其形状较复杂，采用经验公式法难以准确评估这类复杂绕流特性结构的拖航阻力。

目前对张力腿平台拖航阻力的相关研究尚处于初步阶段，其绕流特性及流体性能预报可参考资料少，一般借鉴其他平台相关成果进行研究。刘为民等[4]采用Fluent对半潜式平台在不同来流下的拖航阻力、阻力系数和流场分布等特性进行研究。杜庆贵等[5]分析半潜式平台6种常见的浮箱端部形式对拖航阻力的影响。ABRISHAMCHI等[6]分别采用LES和Unsteady RANS法对张力腿平台水动力载荷进行三维计算，自由液面采用VOF法进行模拟，研究张力腿平台0°和45°来流下升阻力系数的特性。孙海晓等[7]对SPAR平台进行模型湿拖阻力试验，提出SPAR平台湿拖阻力快速预报公式。本文借鉴国内外学者研究经验，采用雷诺平均法(Reynolds Averaged Navier-Stocks, RANS)结合k-ε湍流数值模拟法对不同吃水、航速和拖航角度下的拖航阻力进行计算，对变化规律及其原因进行讨论与总结，并对流场特性进行分析。

1 数值方法

流体控制方程包括连续性方程和RANS方程，即质量和动量守恒方程：

式中：u为速度分量；μ为黏性系数；ρ为密度；t为时间；p为压力。

基于计算精度及成本等考虑，本文采用标准k-ε两方程湍流模型：

湍流动能k为

湍流动能耗散率ε为

式中：Prk和Prε为对应k和ε的Prandtl数；Pk为由于剪切力影响而引起的湍流动能的体积产生率；Gb为由于重力随密度变化而引起的湍流动能k的体积产生率。

2 水动力模型

2.1建立模型

本文以某TLP作为研究对象，该平台为典型第一代张力腿平台，平台模型如图1所示。该平台船体包括4个圆形立柱和4个浮箱，为方便研究对其立柱和浮箱进行编号及尺寸符号定义，如图2所示。平台主尺度见表1。全局直角坐标系定义在流场内，平台拖航时沿着x正方向前进，拖航角度θ为平台船艏方向与前进方向的夹角，图2中拖航角度θ为0°。

图1 某TLP 图2 平台船体布置

表1 张力腿平台主尺度

2.2边界条件

对长方体计算流域的6个面进行边界条件[4]定义，如图3所示。

(1) 左边界面：速度入口边界条件velocity-inlet，速度为v的流体从此边界均匀流入。

(2) 右边界面：自由出流边界条件outflow，流体从此边界自由流出

(3) 上边界面：对称边界条件symmetry，此边界上垂直方向分量为0。

(4) 下边界面：壁面边界条件wall，流体从壁面无滑移流过。

(5) 前、后边界面：对称边界条件symmetry，此边界上垂直流向分量为0。

(6) 平台表面：壁面边界条件wall，流体从壁面无滑移绕过。

图3 流域计算模型

2.3网格划分

划分网格时采用局部加密方法，对平台周围局部区域采取加密处理，该区域采用非结构网格(四面体网格)划分(如图4a)所示)，并向外部流域过渡，过渡区域采用三棱柱网格(如图4b)所示)，外部流域采用长方体网格(如图4c)所示)。

图4 平台局部区域的网格划分

计算采用非定常黏性湍流模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法，初试时间步长取0.01 s，在计算过程中不断调整。

3 计算结果与分析

3.1不同工况下阻力分析

参考《海上拖航指南》对平台拖航航速及吃水的要求，并结合该TLP实际工况，选取航速v的范围为1～4 m/s，吃水d的范围为9～17 m，由于平台船体呈中心对称，确定拖航角度为0°～45°进行研究。首先分析拖航角度θ=0°时，TLP不同吃水及航速下的拖航阻力Fx，计算结果见表2，阻力的变化曲线如图5和图6所示。由表2、图5和图6可以看出：平台阻力随着航速的增加而快速上升。通过回归分析，阻力与速度呈二次函数关系，符合海洋结构物流阻力理论，初步验证了计算的可靠性。另外，同一航速下随着吃水的增加，平台阻力呈线性上升，这是由于浮箱一直处于水下，吃水变化只影响立柱的迎流面积，而对流场影响较小。

表2 θ=0°，不同吃水及航速下的拖航阻力 kN

图5 θ=0°，不同吃水下阻力随航速的变化曲线 图6 θ=0°，不同航速下阻力随吃水的变化曲线

d=11 m,v=2 m/s,不同拖航角度下的平台受力计算结果如图7和表3所示。分析可知：在拖航角度θ=15°和30°时，平台拖航阻力有所增加，且所受横向力较大，这是由于平台周围流场不对称性。基于实际工程考虑，张力腿平台不适合在0°<θ<45°的工况下进行拖航作业,故本文仅针对v=2 m/s，不同吃水下θ=0°和45°时的平台阻力进行计算，结果见表4，可以看出：不同吃水下θ=45°时的平台阻力相比0 °时均有所增加，这是因为拖航角度变大增加了平台迎流面积，但增加幅度有限，故拖航角度θ的影响小于航速v。

通过分析航速、吃水及拖航角度对TLP拖航阻力的影响，建议在满足平台稳性及施工周期的条件下，选取拖航角度为0 °且航速较小、吃水较浅的拖航工况，以降低平台湿拖阻力，减少拖船租用费用等成本。

表3 d=11 m，v=2 m/s，不同拖航角度下的平台受力

图7 d=11 m，v=2 m/s时平台受力随拖航角度的变化曲线

表4 θ=0°和45°时不同吃水下的平台阻力 kN

3.2拖航阻力经验公式

三维海洋结构物的阻力定义为

式中：Fd为结构物所受阻力；Cd为阻力系数；ρ为流体密度；A为结构物迎流面积。

摩擦阻力在平台拖航阻力中所占比例非常小，绝大部分为黏压阻力，而黏压阻力由结构物形状决定，即由阻力系Cd的大小体现。结构物流阻力预报的难点就在于其Cd未知，工程上一般由试验确定。本文利用数值计算方法，通过对表2中拖航角度θ=0°时的各算例进行阻力系数计算，根据不同航速下的阻力值可回归出该吃水下的阻力系数。不同平台吃水下的阻力系数见表5。随着平台吃水增加，拖航阻力呈线性增长，但由于相应地加大了迎流面积，故阻力系数Cd并非满足线性增长关系，而是在1.3～1.4的范围内小幅波动，呈先增长后降低的趋势。基于工程应用考虑，保守地选取张力腿平台阻力系数Cd=1.4，另外由于张力腿平台船体均存在几何相似关系，所以提出如下张力腿平台拖航阻力经验公式：

式中：F总为张力腿平台拖航总阻力；平台阻力系数Cd=1.4；V0为平台拖航航速；ρ海水为海水密度，取1.02 5 t/m3；ATLP为平台船体水下部分迎流面积，根据平台主尺度计算得出；F风为考虑上层建筑的风阻力，可依据《海上拖航指南》确定。

3.3表面压力分布及流场分析

表5 不同平台吃水下阻力系数

由于拖航角度θ=0°时各吃水和航速下的平台表面压力分布及流场特性规律类似，本文仅列举v=2 m/s，d=15 m时拖航角度分别为0°和45°的计算结果，如图8和图9所示。由图中可以看出：0°和45°拖航角度下平台表面的压力和速度分布大致以x轴对称，压力和航速梯度较大。0°拖航角度下作为主要迎流构件的浮箱P1所受流向力较大，附近流速也较低，上游立柱两侧流速较高，流体绕过上游立柱C1和C2后，流体力减弱，所以作用在下游立柱C3和C4上的压力较小，另外由于下游立柱的阻挡作用，在浮箱P2和P4上表面产生了明显的回流现象，流体沿着x轴正方向流动。45°拖航角度下平台迎流面积增大，所受总阻力也随之增加，不过各浮箱和立柱的受力较为均为，上游立柱对流体的屏蔽效应降低，因此下游浮箱及立柱受力有所增加。

图8 v=2 m/s，d=15 m，不同拖航角度下张力腿平台表面压力分布

图9 v=2 m/s，d=15 m，不同拖航角度下张力腿平台表面流场分布

4 结 论

本文利用数值模拟方法针对TLP的拖航阻力进行研究，计算和分析平台不同吃水、航速和拖航角度下的拖航阻力，并探讨了平台表面压力分布和流场特性，最终得到如下结论：

(1) 航速对TLP的拖航阻力影响最大，吃水和拖航角度对TLP的拖航阻力影响次之。拖航角度为15°和30°时平台横向力较大，不适合于湿拖作业，建议平台湿拖作业时尽量采用低航速、浅吃水和拖航角度为0°的方案，以降低平台拖航阻力。

(2) 基于计算结果回归分析平台流阻力系数，确定平台流阻力系数为1.4，并以此提出平台拖航阻力经验公式，用于快速地预报平台湿拖阻力，具有重大的工程应用价值。

(3) 压力分布与流场航速分布体现了TLP的拖航时的受力分布情况及流场特性，迎流面浮箱和立柱总阻力比最大，立柱两侧速度较大，拖航角度为0°时下游浮箱与立柱交界处有明显的回流现象。

[1] 孙伟英，梁学先，樊之夏，等. 典型张力腿平台湿拖分析[J]. 中国造船，2012(S2)：255-265.

[2] 典型深水平台概念设计研究课题组. 张力腿平台安装分析[J]. 中国造船，2005，46(B11): 457-463.

[3] 沈浦根. 谈拖航阻力的估算[J]. 航海技术，2011(05): 9-12.

[4] 刘为民，谷家扬，卢燕祥. 基于CFD的半潜式钻井服务支持平台拖航阻力数值分析[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版)，2014(02): 103-108.

[5] 杜庆贵，冯玮，宴绍枝，等. 半潜式钻井平台拖航阻力数值分析[J]. 石油矿场机械，2012(09): 23-27.

[6] ABRISHAMACHI A,YOUNIS B A. LES and URANS predictions of hydrodynamic loads on a tension-leg platform[J]. Journal of Fluids and Structures,2012,28:244-262.

[7] 孙海晓,徐慧,樊之夏,等. SPAR平台湿拖阻力试验研究[J]. 中国海洋平台,2011(05):33-37，46.

NumericalAnalysisforTowageResistanceofTensionLegPlatform
BasedonCFDMethod

ZHANG Zhikang1, LIN Yan1, LIU Guanghui2, LI Qiang2, GUO Ning2

The towing maybe encountered in the process of dock, construction and installation location for Tension Leg Platform(TLP) . So it’s necessary to determine an economical solution.The drag force of TLP is studied based on Reynolds Averaged Navier-Stocks(RANS) withk-εturbulence model. The geometry is built up quickly by secondary development of CATIA software. Computational grid is set up by STAR-CCM software and imported into Fluent for calculations. The drag force, drag coefficient and flow field on surface of the platform are researched under different draft, velocity and angle. The empirical formula of platform’s drag force is raised up by regression analysis according to the results. It is helpful for the quick prediction of TLP’s drag force and the towage operation.

Tension Leg Platform(TLP); drag resistance; drag coefficient; Fluent

F总

U351

A

2015-12-17

张志康(1991-)，男，硕士研究生

1001-4500(2017)05-0029-06