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(jì)研究院，上海 201206）

0 引 言

由于自升式平臺進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果偏于保守，不利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[2]將北海一艘半潛式平臺上實(shí)測的風(fēng)力值和按挪威船級社（DNV）規(guī)范計(jì)算的風(fēng)力值進(jìn)行比較，記錄的300多組數(shù)據(jù)均表明實(shí)測觀察值僅為計(jì)算值的50%；參考文獻(xiàn)[3]對一艘半潛式平臺進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果小于按美國船級社（ABS）規(guī)范計(jì)算的值。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4,5]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了研究，具有一定的參考價(jià)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(jìn)一步分析。

空氣動力學(xué)干擾的研究重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬技術(shù)。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

1.1 平臺基本參數(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(biāo)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)室擁有一座全鋼結(jié)構(gòu)回流式邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段長16.3m，橫斷面寬2.4m，高2m，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速24m/s。

平臺風(fēng)洞試驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)之前，通過加載實(shí)驗(yàn)，對天平進(jìn)行標(biāo)定。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中采樣頻率為100Hz，模型采樣長度為60s，相對于實(shí)際尺度45min。實(shí)驗(yàn)中，整體結(jié)構(gòu)上力和力矩的坐標(biāo)系統(tǒng)可參照圖2，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3、4，各構(gòu)件模型見圖5、7。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不可能將結(jié)構(gòu)分得過細(xì)，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。

1.3 實(shí)驗(yàn)風(fēng)速和風(fēng)向

對于自升式平臺的風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中，通過在風(fēng)洞工作段前方設(shè)置適當(dāng)?shù)奈闪靼l(fā)生裝置和地面粗糙元進(jìn)行模擬，以獲得所要求的風(fēng)速剖面和紊流結(jié)構(gòu)，實(shí)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

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

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?xì)饬髁恳舶l(fā)生變化。SR與BRR調(diào)節(jié)器脈沖管路由燃?xì)獗嚷收{(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?xì)獾耐ㄟ^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)。

2.2 湍流模型

湍流模型的選取對計(jì)算精度有著直接的關(guān)系，當(dāng)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(yàn)成分[8]，參考文獻(xiàn)[9]認(rèn)為計(jì)算精度的大體順序是RSM，RNGkε-，SSTkε-，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算模型，通過比較選擇合適的湍流模型，計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果相差較小?；诖它c(diǎn)考慮計(jì)算速度，在整體模型計(jì)算中湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)kε-模型。

表1 不同湍流模型計(jì)算結(jié)果

2.3 邊界條件

入口邊界采用速度入口，參照參考文獻(xiàn)[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。

3 結(jié)果分析

3.1 整體風(fēng)載荷比較

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(jì)算、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比（見圖 8、9）。基于目標(biāo)平臺入級 ABS船級社，主要依據(jù) ABS的MODU規(guī)范進(jìn)行風(fēng)載荷的計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算的結(jié)果在趨勢上與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為類似，規(guī)范計(jì)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果均小于規(guī)范計(jì)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(jì)算約18.95%，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平均小于規(guī)范計(jì)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(jì)算約19.36%，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平均小于規(guī)范計(jì)算約31.2%，說明隨著風(fēng)速的增大，規(guī)范計(jì)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(jì)算由于不計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，因此可以認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信，可以將其應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中。

3.2 空氣動力學(xué)干擾分析

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(biāo)：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(jì)算中，但仍具有一定的參考價(jià)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(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)做不到的。結(jié)果表明，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬在干擾因子的計(jì)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(shí)驗(yàn)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(rèn)為風(fēng)速對空氣動力學(xué)干擾的影響很小。

3.3 流場分析

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(dāng)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

4 結(jié) 語

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(jìn)行數(shù)值模擬，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究表明：

1) 現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行海洋平臺風(fēng)載荷計(jì)算時不考慮空氣動力學(xué)干擾，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果表明，這樣的處理方法將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于保守。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，而且具有靈活性好、可視化強(qiáng)的特點(diǎn)，可作為平臺設(shè)計(jì)時風(fēng)載荷計(jì)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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