某海外项目应急机排烟扩散对直升机起降影响分析

王亚莹，李东芳，高鹏

（海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津 300451）

海上油（气）田工程项目中有燃气透平、锅炉和应急机等排烟设备与直升飞机甲板共存时，海洋平台上排烟设备排放的高温烟气会对直升飞机的起降造成影响。尤其是海洋平台上主机电站、燃气透平以及锅炉等排烟设备排放的高温烟气，及周围大型机械设备的布置对直升飞机安全起飞和降落存在潜在的危害。因此，在海洋平台前期设计中，需要对海洋平台上直升飞机甲板的布置进行优化设计，使其满足海洋平台在正常施工作业时的安全性以及可靠性。目前国内外海洋平台直升机甲板周围流场及温度场的研究方法主要采用CFD进行模拟研究，这已经成为国内外海洋平台烟气扩散对直升机起落影响研究的主要手段[1-4]。

1 国内外相关标准规范

关于海洋平台上直升飞机甲板设计的研究，国内外的安全管理当局和第三方科研/咨询机构开展了大量的研究和验证工作。目前，中国、英国、挪威和美国等在直升飞机作业安全方面都制定了相关的规范标准，见表1。

从表1可以看出，中国、美国的标准并没有给出具体量化指标，而挪威制定的标准只对直升机甲板周围温度提出了量化指标，只有英国的标准 CAP 437对环境条件给出了判定标准，同时给出湍流流场及温度的量化指标，并制定了与CAP 437相辅相成的相关推荐做法，如 CAA PAPER 99004、CAA PAPER 2004/03、CAA PAPER 2008/03[9-11]等。CAP 437 作为分析直升飞机起落安全评估比较权威性的标准规范，对直升飞机甲板周围的湍流流场及高温气流进行条件限定，在国内外项目得到了广泛的推广应用。本项目为某一中东海外海上平台项目，根据业主要求同样采用CAP 437标准对直升机甲板进行量化分析，同时采用CFD软件对直升机起落进行模拟研究。

表1 各国对直升机起降的标准要求

通过上述分析，针对直升机甲板模拟分析的标准，以CAP 437为准，主要评估检查了以下两项标准，用以评估直升机在直升机甲板起降的潜在风险，主要量化指标为：在直升机起降区域附近，3 s内的最高温升不得超过 2 ℃；垂直湍流（垂直气流速度与平均垂直速度的标准偏差）不得超过1.75 m/s。

2 基础输入条件

2.1 数值模型

烟气扩散模拟属于典型的高温无化学组分传热过程，同时包含空气及强烈的湍流运动。根据此特点，建立气体多组分热传输及湍流模型。在模型求解过程中，包含连续性方程、动量方程、能量守恒方程。采用标准κ-ε湍流模型用于研究烟气及空调排气对直升机起降的影响，该模型为工业流场主要应用模型，适合高大空间内的扩散问题，公式为[12]：

式中：ηt=cuρk2/ε，cu=cu′cD。

方程引入了三个系数c1、c2、cu和三个常数σk、σε、σT，这 6个经验常数一般分别取为 1.44、1.92、0.09 和 1.0、1.3、0.9～1.0。

2.2 空间布置

图1显示了直升机甲板在平台上的位置，以及备用柴油应急发电机的排气位置，HVAC冷凝单元的风扇出口。值得注意的是，备用柴油发电机的排气位置可根据模拟结果进行调整，图 1位置为初步规划位置，需评此估方案的可行性。

图1 直升机甲板及热源位置

2.3 几何尺寸

直升机甲板区域空间的评估高度以“30英尺加上轮子到螺旋桨的高度加上一个螺旋桨的直径”[6]。本海洋平台根据业主要求，采用阿古斯塔·韦斯特兰AW139直升机（如图2所示），计算出直升机甲板进行评估的空间高度为高于直升机坪26.98 m，见表2，直升机甲板的模拟评估飞行空间详见图3。

图2 阿古斯塔·韦斯特兰AW139直升机几何模型

表2 直升机甲板评估的高度计算

2.4 模拟条件分析

风玫瑰数据见表3，本研究采用的环境温度为最大设计空气温度（50 ℃）。采用较高的环境温度是为了保持研究结果的保守性，保证直升机飞行的安全性。因为环境温度越高，空气浮力越大，湍流越严重。若温度差异较小，则限制热羽流垂直方向的扩散。备用柴油应急机排气和集中空调冷凝单元风机出口数据见表4。

图3 直升机飞行区域

表3 基于地理正北的风速和风向百分占比 %

表4 冷、热源输入条件

3 模拟结果

选取三个代表风速（基于表3中的风玫瑰数据）2、5、10 m/s，对直升机甲板热扩散进行模拟研究，湍流模拟是根据表 3的风玫瑰数据中所述的风况进行的。

3.1 湍流评估结果

垂直湍流的标准差（SD）是指在直升机飞行区域内，垂直方向气流速度与平均垂直气流方向速度的差值。按照CAP437规定，直升机甲板空域内垂直气流速度的标准差（SD）不得超过1.75 m/s。直升机甲板空域内监测的垂直气流速度标准差（SD）见表5。对风概率小于0.01%的情况，认为概率极低，不会发生，所以此湍流模拟并没有针对风概率小于0.01%的情况。

表5 基于平台北的垂直气流速度SD（VSD）和风概率

从表5可观察到，最大的标准差为0.5725 m/s，此时风向为平台东北风（NE）。垂直气流速度标准差如图 4所示，可以看到，并没有任何标准偏差超过CAP 437标准所要求的1.75 m/s的规定上限。因此，可以判断并没有因为湍流影响而无法使用直升机甲板，影响直升机的起降。

图4 垂直气流速度标准差

3.2 热扩散评估结果

本次研究主要考虑的热源有：应急机排烟尾气、空调冷凝单元的风机出口气流。判定标准是在直升机起升空间平均3 s时间间隔内的最大温升不能超过环境温度2 ℃。

应急机排烟在不同风速下超过环境温度 2 ℃情况如图5所示。可以看出，较高的风速会使热量扩散得更快，使排气热流中的温度稀释得较快，所以，热量传输的距离更近；而风速较低时，热量扩散慢，使排气热流中的温度稀释得较慢，所以，热量传输的距离更远。从模拟结果看出，备用柴油应急机排烟温度超过环境温度 2 ℃的排气烟气对直升机甲板领空没有影响，从而判断备用柴油发电机排气的现有位置被认为是合适的。

图5 应急机排烟在不同风速下超过环境温度2 ℃情况

空调冷凝单元排气在不同风速下超过环境温度2 ℃情况如图6所示。可以看出，空气从空调压缩冷凝机组风机出口排除，向着直升机甲板移动，但由于热量的扩散的，气流温度变化逐渐减小，最后与环境温度差值越来越小，最终低于2 ℃。从而判断冷凝机组风机排出的空气对直升机甲板领空没有影响，现有风机排风口是合理的。

图6 空调排气在不同风速下超过环境温度2 ℃情况

4 结论

文中参考 CAP 437针对直升机起落空间的两种验证指标进行模拟分析评估，根据模拟结果分析，CAP437要求的两种衡量标准对本平台的直升机起降均无影响，主要结果如下：

1）垂直气流速度的最大标准差（SD）为0.5725 m/s，小于标准要求的1.75 m/s。

2）不同风速情况下，通过对从应急机排烟口及冷凝机组风机出风口出来的气流进行模拟分析，确认在直升机起落区域内不存在超过环境2 ℃的区域。

根据上述两条结论评估，确认本平台布置的备用柴油应急机排烟口，及冷凝机组风机出口的位置布置合理，对直升机的起降不存在风险，直升机甲板可一直使用。