林 一,胡安康,孫 建
(1. 哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001;2. 中集船舶海洋工程設(shè)計研究院,上海 201206)
由于自升式平臺進行鉆井作業(yè)時處于抬升站立狀態(tài),隨著風(fēng)高度的增加導(dǎo)致風(fēng)載荷增大,因此在設(shè)計階段風(fēng)載荷是最主要的控制載荷。目前對于自升式平臺風(fēng)載荷的計算方法均取自各大船級社規(guī)范[1],主要采用面積投影法,忽略結(jié)構(gòu)件空氣動力學(xué)干擾的影響,這種處理方法將導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守,不利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻[2]將北海一艘半潛式平臺上實測的風(fēng)力值和按挪威船級社(DNV)規(guī)范計算的風(fēng)力值進行比較,記錄的300多組數(shù)據(jù)均表明實測觀察值僅為計算值的50%;參考文獻[3]對一艘半潛式平臺進行風(fēng)洞實驗后發(fā)現(xiàn),實驗結(jié)果小于按美國船級社(ABS)規(guī)范計算的值。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4,5]通過風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬對HYSY-981半潛式平臺的風(fēng)載荷與表面風(fēng)壓分布進行了研究,具有一定的參考價值。但是上述研究并未對造成這種結(jié)果差異的原因,即空氣動力學(xué)干擾現(xiàn)象作進一步分析。
空氣動力學(xué)干擾的研究重點主要集中在復(fù)雜高層建筑上,對于海洋平臺研究甚少。自升式平臺工作狀態(tài)處于開闊海面,屬于我國“建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范”中的A類地貌,干擾效應(yīng)最為顯著[6],因此應(yīng)予重視空氣動力學(xué)干擾現(xiàn)象。自升式平臺甲板利用率很高,布置緊湊,導(dǎo)致上層建筑、樁腿、井架、懸臂梁等結(jié)構(gòu)在受風(fēng)時相互遮蔽,大大減小了整體的風(fēng)載荷。由于結(jié)構(gòu)較多,導(dǎo)致處理其風(fēng)致干擾現(xiàn)象時與建筑群體類似,需要借助風(fēng)洞實驗或者數(shù)值模擬技術(shù)。
本文選用的122m自升式鉆井平臺采用三樁腿桁架式結(jié)構(gòu),見圖1。樁腿為菱形連接,最大工作水深122m,氣隙12.2m,最大鉆井深度9150m,入級ABS船級社,平臺基本參數(shù)為:
主尺度(總長×型寬×型深):70.40m×74.20m×9.40m;井架(高度×底部寬度×二層臺寬度):51.82m×12.19m×5.49m;樁腿長度:166.98m
圖1 平臺
圖2 坐標系統(tǒng)
風(fēng)洞實驗的目的是考察自升式平臺的空氣動力學(xué)干擾現(xiàn)象,即整體模型風(fēng)載荷與各構(gòu)件風(fēng)載荷之和的比較。該實驗委托國際知名的安邸建筑與環(huán)境工程國際咨詢公司(RWDI)在英國Dunstable風(fēng)洞實驗室進行。該實驗室擁有一座全鋼結(jié)構(gòu)回流式邊界層風(fēng)洞,試驗段長16.3m,橫斷面寬2.4m,高2m,最大設(shè)計風(fēng)速24m/s。
平臺風(fēng)洞試驗?zāi)P褪且?22m自升式鉆井平臺為參考,按1:200縮尺制作的剛性模型。鉆井平臺被安裝在五分力基底天平上,用于測試風(fēng)載荷。在風(fēng)洞實驗之前,通過加載實驗,對天平進行標定。風(fēng)洞實驗中采樣頻率為100Hz,模型采樣長度為60s,相對于實際尺度45min。實驗中,整體結(jié)構(gòu)上力和力矩的坐標系統(tǒng)可參照圖2,實驗選取12個風(fēng)向角,在0~360°范圍內(nèi),以每30°風(fēng)向角為角度間隔。
圖3 正常工作狀態(tài)
圖4 風(fēng)暴自存狀態(tài)
整體實驗?zāi)P鸵妶D3、4,各構(gòu)件模型見圖5、7。由于實驗條件的限制,不可能將結(jié)構(gòu)分得過細,因此將整個平臺分為3個主要的受風(fēng)結(jié)構(gòu):樁腿、井架、主船體+懸臂梁,這種處理方法已能反映出主要結(jié)構(gòu)的相互干擾作用。
對于自升式平臺的風(fēng)載荷實驗,最重要的是模擬大氣平均風(fēng)速剖面,即保證流動相似[7]。該實驗中,通過在風(fēng)洞工作段前方設(shè)置適當?shù)奈闪靼l(fā)生裝置和地面粗糙元進行模擬,以獲得所要求的風(fēng)速剖面和紊流結(jié)構(gòu),實現(xiàn)流速沿高度變化,其中平均風(fēng)剖面冪指數(shù)為0.09。
圖5 主船體+懸臂架
圖6 井架
圖7 樁腿
由于平臺局部構(gòu)件多為鈍體,其控制方程采用雷諾時均 Navier-Stocks(RANS)方程,應(yīng)用有限體積法離散控制方程;差分格式采用高階中心格式;湍流度采用一階模式,基于雷諾時均的控制方程可寫為:
式中,i,j = 1,2,3;
ρ——空氣密度,取1.225kg/m3;
4)定期檢查SR與BRR調(diào)節(jié)器脈沖管路。燃燒系統(tǒng)是一種空氣引導(dǎo)系統(tǒng),空氣流量增加或減小變化時,燃氣流量也發(fā)生變化。SR與BRR調(diào)節(jié)器脈沖管路由燃氣比率調(diào)節(jié)閥與混合器之間的均壓環(huán)引出脈沖空氣來調(diào)節(jié)燃氣的通過量,若有任何泄漏,將導(dǎo)致調(diào)節(jié)器不連貫操作。因此,需用泡沫水定期檢查接口處是否存在泄漏。
μ——動力黏性系數(shù),取 1 .789 4× 1 0-5kg/(m? s)。
湍流模型的選取對計算精度有著直接的關(guān)系,當前許多學(xué)者提出的各種湍流模型或多或少都帶有一定的經(jīng)驗成分[8],參考文獻[9]認為計算精度的大體順序是RSM,RNGkε-,SSTkε-,標準kε-,但對于湍流模型的適用性,業(yè)界也多有爭議。本文以井架為計算模型,通過比較選擇合適的湍流模型,計算結(jié)果(見表1)表明,湍流模型的選取對結(jié)果影響不大,約1%左右。這是由于桁架式結(jié)構(gòu)受力主要來源于壓差阻力,摩擦阻力所占比重較小,各湍流模型計算精度差別在于對邊界層的模擬,邊界層主要影響摩擦阻力,因此導(dǎo)致計算結(jié)果相差較小?;诖它c考慮計算速度,在整體模型計算中湍流模型選取標準kε-模型。
表1 不同湍流模型計算結(jié)果
入口邊界采用速度入口,參照參考文獻[1],風(fēng)速大小沿高度分布函數(shù)取為:
出口邊界采用開放出口,流域頂部、底部和兩側(cè)采用無滑移壁面條件,結(jié)構(gòu)壁面采用無滑移壁面條件,內(nèi)域和外域通過交界面連接。
為了更好地反映空氣動力學(xué)干擾,特別是遮蔽效應(yīng)現(xiàn)象對自升式平臺整體風(fēng)載荷的影響,對規(guī)范計算、風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比(見圖 8、9)?;谀繕似脚_入級 ABS船級社,主要依據(jù) ABS的MODU規(guī)范進行風(fēng)載荷的計算。規(guī)范規(guī)定對于無限作業(yè)區(qū)域的平臺,其最小設(shè)計風(fēng)速應(yīng)為:(a)風(fēng)暴自存工況:51.5m/s(100kn);(b)正常作業(yè)工況:36m/s(70kn)。在計算風(fēng)載荷時,風(fēng)壓按式(4)取值,風(fēng)力按式(5)取值。
式中,kV——設(shè)計風(fēng)速;
Ch——高度系數(shù);
A——平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時,受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。
圖8 正常作業(yè)狀態(tài)的風(fēng)載荷
圖9 風(fēng)暴自存狀態(tài)的風(fēng)載荷
數(shù)值模擬計算的結(jié)果在趨勢上與風(fēng)洞實驗結(jié)果更為類似,規(guī)范計算值的變化趨勢明顯有所偏差。由于遮蔽效應(yīng)的影響,數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗的結(jié)果均小于規(guī)范計算值。其中,正常作業(yè)狀態(tài)下,數(shù)值模擬的風(fēng)載荷平均小于規(guī)范計算約18.95%,風(fēng)洞實驗平均小于規(guī)范計算約28.6%;風(fēng)暴自存狀態(tài)下,數(shù)值模擬的風(fēng)載荷平均小于規(guī)范計算約19.36%,風(fēng)洞實驗平均小于規(guī)范計算約31.2%,說明隨著風(fēng)速的增大,規(guī)范計算的保守性顯得更為明顯。
從風(fēng)向角來看,0°角左右的結(jié)果相差最大,90°和270°的結(jié)果相差相對較小。這是由于0°角時,平臺的上層建筑對其下風(fēng)向的樁腿、懸臂梁和井架存在較為明顯的遮蔽效應(yīng);而90°和270°角時,遮蔽效應(yīng)的影響減到最小。從結(jié)果對比可知,規(guī)范計算由于不計及各構(gòu)件間遮蔽效應(yīng)的影響,因此偏于保守,其隨風(fēng)向角變化的趨勢也與實際情況有所偏差。數(shù)值模擬的結(jié)果位于兩者之間,但在趨勢上與風(fēng)洞實驗結(jié)果吻合良好,因此可以認為其計算結(jié)果準確可信,可以將其應(yīng)用到工程設(shè)計中。
為了更好地表征空氣動力學(xué)干擾現(xiàn)象對于自升式平臺風(fēng)載荷的影響,特意引入建筑工程中風(fēng)載荷的衡量指標:干擾因子IF[10](見式6)。建筑工程中對于IF值多有研究,相應(yīng)規(guī)范中甚至有供工程師參考的推薦值,如澳大利亞規(guī)范推薦干擾因子根據(jù)建筑之間的間隔參數(shù)取0.7~1.0。雖然建筑工程的風(fēng)載荷結(jié)果不能直接引用到海洋工程風(fēng)載荷計算中,但仍具有一定的參考價值。
式中:CF,inter——有干擾體情況的風(fēng)載荷;CF,iso——無干擾體情況的風(fēng)載荷。
圖10 正常作業(yè)的干擾現(xiàn)象
圖11 風(fēng)暴自存的干擾現(xiàn)象
表2 正常作業(yè)的空氣動力學(xué)干擾因子IF
表3 風(fēng)暴自存的空氣動力學(xué)干擾因子IF
風(fēng)洞實驗(圖10、11)及數(shù)值模擬(表2、3)反映了自升式平臺在空氣動力學(xué)干擾下的風(fēng)載荷變化情況,相比于風(fēng)洞實驗,數(shù)值模擬靈活性更大,能分析各構(gòu)件的干擾現(xiàn)象,這一點是風(fēng)洞實驗做不到的。結(jié)果表明,風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬在干擾因子的計算上吻合良好,其值在0.7~0.8左右,但在120°和150°上偏差略大。
風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬均表明,正常作業(yè)和風(fēng)暴自存狀態(tài)下的IF值幾乎相同,最大差別不超過1.5%,可以認為風(fēng)速對空氣動力學(xué)干擾的影響很小。
圖12為平臺的風(fēng)速矢量圖,不難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的干擾非常明顯。沒有其他結(jié)構(gòu)干擾時,風(fēng)吹過結(jié)構(gòu)表面在迎風(fēng)面兩側(cè)分離于結(jié)構(gòu)后方形成漩渦;當有干擾時,風(fēng)在經(jīng)過上風(fēng)向結(jié)構(gòu)后在其側(cè)面發(fā)生分離,下風(fēng)向的風(fēng)速度矢量密度減少,因此干擾對下風(fēng)向結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓有明顯的緩解作用。
圖12 風(fēng)速矢量圖對比
本文以122m自升式平臺為例,采用求解RANS方程的方法,結(jié)合VOF方法和kε-湍流模型對風(fēng)載荷的空氣動力學(xué)干擾現(xiàn)象進行數(shù)值模擬,并與風(fēng)洞實驗結(jié)果進行比較分析,研究表明:
1) 現(xiàn)行規(guī)范進行海洋平臺風(fēng)載荷計算時不考慮空氣動力學(xué)干擾,風(fēng)洞實驗及數(shù)值模擬結(jié)果表明,這樣的處理方法將導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守。
2) 數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果吻合良好,而且具有靈活性好、可視化強的特點,可作為平臺設(shè)計時風(fēng)載荷計算的輔助手段。
3) 平臺整體的干擾因子在0.7~0.8左右,其中遮蔽效應(yīng)占主導(dǎo)位置。井架受到遮蔽干擾影響較小,樁腿受到遮蔽效應(yīng)影響較大。對于平臺整體而言,風(fēng)速對空氣動力學(xué)干擾的影響很小。
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