基于Fluent和FENSAP-ICE的极区海洋平台甲板结构结冰数值模拟

沈杰 白旭

研究论文

基于Fluent和FENSAP-ICE的极区海洋平台甲板结构结冰数值模拟

沈杰 白旭

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003)

极区自然资源丰富却气候恶劣, 海洋平台在此地区作业时甲板表面极易出现结冰现象。针对极区海洋平台甲板结构结冰问题, 采用Fluent与FENSAP-ICE软件相结合的方法, 分析在过冷雾和过冷雨条件下, 距海面高度和结构特征长度对甲板结构结冰的影响。结果表明: 当特征风速为5 m·s−1、6 m·s−1和7 m·s−1时, 在风速不变的条件下, 随着距海面高度由2 m增加到20 m, 结构表面的平均结冰厚度均逐渐增加且结构表面的结冰相对增长率逐渐减小; 在特征风速为5 m·s−1条件下, 在距海面高度为20 m和80 m处, 随着结构特征长度由1 m增加到30 m时, 结构表面的平均结冰厚度均逐渐减小且减少程度逐渐减缓。

极区海洋平台 甲板结构 结冰 数值方法

0 引言

极区蕴藏着丰富的自然资源, 是未来重要的能源和资源基地。从20世纪60年代起, 人们相继在北冰洋大陆架边缘海域发现了丰富的石油和天然气[1]。据美国地质调查局估计, 北极拥有全球未开发石油储量的13%, 可采原油约1 000亿桶; 天然气储量约50万亿m3, 占全球未开发天然气的30%[2]。

极区海洋平台是在极区进行资源开发的重要活动载体, 然而由于极区冬季时间长, 温度在−43—−26℃之间, 平均气温为−34℃, 海气交换强烈, 大部分时间空气中相对湿度都在95%以上, 表现为多雾和浓雾[3]。这种极端气候下空气中的冷水滴极易与海洋平台接触从而在结构表面凝结成冰, 有时海洋平台上的结冰量甚至可达数百吨, 这些新增重量不仅会降低平台稳性、改变平台结构应力、降低平台结构可靠性, 还会影响平台上设备的正常运行, 例如: 冻结绞盘、起重机和阀门, 覆盖窗户, 堵住通风口, 增加人员滑倒的危险, 平台高处的冰块掉落还会威胁人员安全等。

Saha等[4]通过实验分别研究了不含盐水滴和含盐水滴与低温平板碰撞后的结冰情况。实验表明水滴在空气中的冷却时间、水滴与平板的撞击面积和水滴在结构表面的凝结时间均主要受水滴大小的影响, 同时随着水滴大小的增加, 水滴含盐度对结冰时间的影响程度逐渐增加。Dehghani等[5]通过实验得到了船舶与海水碰撞产生飞溅水滴的大小和速度在垂直方向上的分布情况, 这表明以往在船舶结冰计算中对水滴使用单速度和单尺寸的假设是不够准确的, 应使用水滴速度和大小的分布函数来进行船舶的结冰计算。Horjen[6]提出了一个二维时间依赖型结冰数学模型ICEMOD2。该模型基于如下假设: 1)空气温度不变, 2)结构周围空气流动为势流, 3)结冰仅发生在圆柱的迎风侧。ICEMOD2在数值求解过程中, 采用了基于Lax–Wendroff法的有限差分法和四阶Runge-Kutta方法进行求解, 同时为了减少数值计算的误差, 模型采用的时间步长为0.016 s。但由于该模型仅考虑结构迎风侧的冰形变化, 忽略背风侧的结冰, 这就会与实际结构表面结冰区域的分布有较大的差异, 使此模型也有一定的局限性。Kulyakhtin[7]提出了一个用于预测海水飞溅结冰的数学模型, 即MARICE模型。MARICE模型与ICEMOD2模型最大的不同是其将计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法与结冰模型进行了耦合, 可以通过CFD方法求解结冰后冰形对结构周围流场分布的影响。卜淑霞等[8]以一艘集装箱船为研究对象, 研究了不同数值方法计算得到的结冰量对船舶复原力臂的影响, 进而以某艘集装箱船的船型参数为基本, 进行了船舶结冰后的稳性衡准评估计算, 为国际海事组织(IMO)极地规则的制定提供了技术支撑。汪仕靖[9]基于MATLAB编制并验证了一套极地船舶结冰计算程序, 该程序对船型进行参数化输入, 并将船型网格划分为主船体平面网格、上层建筑网格和海水飞沫无法到达的阴影区域网格, 但该程序只能大体确定船体某一部位的结冰量而无法得到某一具体结构上的冰形分布。

在极区作业的海洋平台多为固定式平台, 与船舶结冰多由海水飞溅导致不同, 固定式海洋平台由于具有较高的高度, 其更易与空气中的过冷雾滴和过冷雨滴接触从而在结构表面凝结成冰, 由于该部分水滴所含盐分可忽略不计, 在海洋平台大气结冰数值计算中可不考虑水滴中盐分的影响[10]。由于甲板结构作为海洋平台上的重要组成部分, 本文针对极区海洋平台甲板结构, 采用Fluent与FENSAP-ICE软件相结合的方法, 分析在过冷雾和过冷雨条件下, 距海面高度和结构尺寸对甲板结构结冰的影响。

1 数值验证

1.1 结冰分析

图1为结冰过程简图。水滴温度只会在低于−40℃时, 才会在无扰动的形式下自发凝结成冰[11],而在−40—0℃之间, 水滴处在一个亚稳定状态即过冷状态, 当水滴处在亚稳态时仅需微小的扰动即可触发凝固, 导致水从亚稳态液相变成稳态固相。热/能量传导、流体中杂质、与冷表面的接触、机械撞击、振动等都可能成为扰动源, 本文研究的水滴与海洋平台甲板结构碰撞而结冰的情况就属于机械撞击触发凝固。

图1 结冰过程简图

Fig.1. Sketch of icing process

1.2 计算流程

由于极区海洋平台结冰的特殊性, 通常对其的研究都是通过现场试验进行的, 然而受到我国地理位置的影响, 现场试验是非常耗时且成本极高的。因此, 本文结合Fluent和FENSAP-ICE软件进行数值模拟研究, 其中Fluent软件用于结构周围流场的分析计算, FENSAP-ICE软件用于计算水滴的撞击特性和冰层的增长过程。图2为本文的计算流程。

图2 计算流程

Fig.2. Computing flow

1.3 试验验证

为了验证预报方法的准确性, 本文从文献[6]中选取了一组结冰试验条件(见表1)进行数值模拟计算(在计算过程中均不考虑结构表面的粗糙度)。

表1 实验条件

如图3所示, 图4中的x轴坐标代表圆柱表面任意一点与圆心之间的夹角φ, 0°为与x轴负向重合, 沿顺时针方向为正。

图3 图4中x轴坐标定义

Fig.3. Definition of X-axis coordinate in figure 4

图4 结冰厚度对比

Fig.4. Icing thickness comparison

图4中表示的是结构表面的冰层厚度计算结果和文献[6]中数据的对比。从图4中可以看出在整个区间内两者的变化趋势相同, 平均偏差仅为6.94%, 验证了计算方法的可靠性。

2 甲板结构结冰分析

气流与平台甲板相接触后会向上抬升(如图5), 甲板结构周围的流场可以看作是相似的, 因此本文仅选用平台甲板的一部分进行结冰分析, 仿真过程中所用计算域模型如图6所示, 其中inlet为速度入口边界条件, outlet为压力出口边界条件, 上下边界为壁面边界条件, d为特征长度, 平板在计算过程中保持静止。

图5 甲板与气流的作用

Fig.5. The role of deck and air flow

图6 计算域模型

Fig.6. Computational domain model

选取文献[12]中的条件作为本文的计算条件, 分别分析在过冷雾(见表2)和过冷雨(见表3)条件下距海面高度和特征长度对甲板结构结冰的影响。

距海面高度Z处的风速由下式可得:

式中,表示距海面10 m处的风速, 本文将其定义为特征风速,表示距海面的高度。

图7和图8表示的是过冷雾和过冷雨条件下甲板结构表面平均结冰厚度与距海面高度之间的关系, 表4、表5表示的是过冷雾和过冷雨条件下甲板结构表面结冰的相对增长率。从图7和图8中可以看出, 当特征风速为5 m·s−1、6 m·s−1s和7 m·s−1时, 在风速不变的条件下, 随着距海面高度由2 m增加到20 m, 结构表面的平均结冰厚度逐渐增加; 在距海面高度不变时, 随着风速的增加, 结构表面的平均结冰厚度也在逐渐增加。从表4、表5可以看出, 当特征风速为5 m·s−1、6 m·s−1s和7 m·s−1时, 在风速不变的条件下, 随着距海面高度的增加, 结构表面的结冰相对增长率逐渐减小。

图9和图10表示的是过冷雾和过冷雨条件下距海面20 m和80 m处平均结冰厚度随甲板结构特征长度的变化, 表6和表7表示的是过冷雾和过冷雨条件下甲板结构表面结冰的相对增长率。从图9和图10中可以看出, 在特征风速为5 m·s−1条件下, 在距海面高度为20 m和80 m处, 均随着结构特征长度由1 m增加到30 m时, 结构表面的平均结冰厚度逐渐减小; 在特征长度不变的条件下, 随着距海面高度由20 m增加到80 m, 结构表面的平均结冰厚度逐渐增加。从表6和表7中可以看出, 在特征风速为5 m·s−1条件下, 在距海面高度为20 m和80 m处, 随着结构特征长度由1 m增加到30 m时, 结构表面的相对结冰增长率均逐渐增大。

表2 过冷雾计算条件

表3 过冷雨计算条件

图7 过冷雾条件下结冰厚度与距海面距离的关系

Fig.7. Relationship between ice thickness and distance from sea surface under supercooled fog

图8 过冷雨条件下结冰厚度与距海面距离的关系

Fig.8. Relationship between ice thickness and distance from sea surface under supercooled rain

表4 过冷雾条件下距海面高度对结冰相对增长率的影响

注: 距海面高度20 m处的相对结冰增长率使用如下公式计算: (20–18)/18·100%，其中20和18分别表示20 m和18 m处的结冰厚度

表5 过冷雨条件下距海面高度对结冰相对增长率的影响

注: 距海面高度20 m处的相对结冰增长率使用如下公式计算: (20–18)/18·100%，其中20和18分别表示20 m和18 m处的结冰厚度

图9 特征风速为5 m·s−1时过冷雾条件下距海面20 m和80 m处平板特征长度随高度的变化

Fig.9. Variation of plate feature length with height from20m and 80m from sea surface under supercooled fog at a characteristic wind speed of 5 m·s−1

图10 特征风速为5 m·s−1时过冷雨条件下距海面20 m和80 m处平板特征长度随高度的变化

Fig.10. Variation of plate feature length with height from 20m and 80m from sea surface under supercooled rain at a characteristic wind speed of 5 m·s−1

表6 过冷雾条件下结构特征长度对结冰相对增长率的影响

注: 特征长度30 m处的相对结冰增长率使用如下公式计算: (30–25)/25·100%，其中30和25分别表示特征长度为30 m和25 m处的结冰厚度

表7 过冷雨条件下结构特征长度对结冰相对增长率的影响

注: 特征长度30 m处的相对结冰增长率使用如下公式计算: (30–25)/25·100%，其中30和25分别表示特征长度为30 m和25 m处的结冰厚度

3 结论

以极区海洋平台结构的结冰为背景, 提出了结合Fluent和FENSAP-ICE软件进行甲板结构结冰数值预报的方法, 分析了在过冷雾和过冷雨条件下距海面高度和结构尺寸对甲板结构结冰的影响, 得出以下结论。

1. 当特征风速分别为5 m·s−1、6 m·s−1和7 m·s−1时, 在风速不变的条件下, 随着距海面高度由2 m增加到20 m, 结构表面的平均结冰厚度均逐渐增加且结构表面的结冰相对增长率逐渐减小。

2. 在距海面高度不变时, 随着特征风速由5 m·s−1增加到7 m·s−1, 结构表面的平均结冰厚度也在逐渐增加。

3.在特征风速为5m·s−1条件下, 在距海面高度为20 m和80 m处, 随着结构特征长度由1 m增加到30 m时, 结构表面的平均结冰厚度均逐渐减小且减少程度逐渐减缓。

4. 在特征风速为5 m·s−1条件下, 当结构特征长度不变时, 随着距海面高度由20 m增加到80 m, 结构表面的平均结冰厚度逐渐增加。

1 BIRD K J, CHARPENTIER R R, GAUTIER D L, et al. Circum-arctic resource appraisal: estimates of undiscovered oil and gas north of the arctic circle[R]. Reston: The United States Geological Survey(USGS)National Center, 2008.

2 GAUTIER D L, BIRD K J, CHARPENTIER R R, et al. Assessment of undiscovered oil and gas in the Arctic[J]. Science, 2009, 324(5931): 1175-1179.

3 谢强, 陈海龙, 章继峰. 极地航行船舶及海洋平台防冰和除冰技术研究进展[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(1): 45-53.

4 SAHA D, DEHGHANI S R, POPE K, et al. Temperature distribution during solidification of saline and fresh water droplets after striking a super-cooled surface[C]//Arctic Technology Conference, October 24-26, 2016, Newfoundland and Labrador, St. John's. Houston: Offshore Technology Conference, c2016: 1325-1328.

5 DEHGHANI S R, NATERER G F, MUZYCHKA Y S. Droplet size and velocity distributions of wave-impact sea spray over a marine vessel[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 132: 60-67.

6 HORJEN I. Numerical modeling of two-dimensional sea spray icing on vessel-mounted cylinders[J]. Cold Regions Science and Technology, 2013, 93: 20-35.

7 KULYAKHTIN A. Numerical Modelling and Experiments on Sea Spray Icing[D]. Trondheim, Norway: Norwegian University of Science and Technology, 2014.

8 卜淑霞, 储纪龙, 鲁江, 等. 积冰对船舶稳性的影响[C]//吴有生, 唐洪武, 王超. 第二十七届全国水动力学研讨会文集(下册). 上海:《水动力学研究与进展》杂志社, 2015: 63-69.

9 汪仕靖. 极地航区船舶积冰预报模型研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2018.

10 MINSK L D. Ice Accumulation on Ocean Structure[M]. Minneapolis: Cold Regions Research and Engineering Laboratory, 1977: 5-8.

11 朱春玲, 朱程香. 飞机结冰及其防护[M]. 北京: 科学出版社, 2016: 1-2.

12 HORJEN I. Icing on offshore structures-atmospheric icing[J]. Norwegian Maritime Research, 1983, 11(3): 9-22.

NUMERICAL SIMULATIONS OF DECK STRUCTURE ICING ON POLAR OFFSHORE PLATFORMS BASED ON FLUENT AND FENSAP-ICE

Shen Jie, Bai Xu

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The polar region is rich in natural resources, but the climate is harsh. The deck surface of offshore platforms in this region is prone to icing, which is dangerous. To investigate factors affecting the icing of deck structures on polar marine platforms, a combination of the software programs Fluent and FENSAP-ICE was used to analyze the influence of sea surface height and structure length on deck icing under conditions of supercooled fog and rain. The results showed that when characteristic wind speeds were 5 m·s−1, 6 m·s−1and 7 m·s−1, average ice thickness on the structure surface increased gradually with height from 2 m to 20 m and the relative growth rate of ice on the structure surface decreased gradually. Additionally, when characteristic wind speed was 5 m·s−1at altitudes of 20 m and 80 m above sea level, the length of the structure increased from 1 m to 30 m, and average ice thickness on the structure surface and degree of reduction decreased.

polar offshore platform, deck structure, icing, numerical method

2019年7月收到来稿, 2019年10月收到修改稿

国家自然科学基金(51879125)、江苏省高等学校自然科学研究重大项目(18KJA580003)、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(2018-KTHY-033)和江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJKY19_2664)资助

沈杰, 男, 1993年生。硕士研究生, 研究方向为极地船舶与海洋工程。E-mail: shenjie254@126.com

白旭, E-mail: baixu@just.edu.cn.

10. 13679/j.jdyj.20190033