劉為民，谷家揚(yáng)，盧燕祥

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

半潛式海洋平臺(tái)擁有抗風(fēng)能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍大、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界主要海洋油氣開(kāi)采裝備之一［13］.半潛式海洋平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)為平臺(tái)主體、平臺(tái)上體及平臺(tái)錨泊系統(tǒng)等.半潛式平臺(tái)建造工藝為:將半潛式平臺(tái)各結(jié)構(gòu)件在船廠(chǎng)建造完成后，分別運(yùn)輸至安裝地點(diǎn)，首先對(duì)平臺(tái)主體進(jìn)行安裝，然后再對(duì)上體和系泊系統(tǒng)進(jìn)行安裝等工作.平臺(tái)主體的運(yùn)輸安裝過(guò)程又分為以下兩階段:首先采用運(yùn)輸船將平臺(tái)主體運(yùn)輸至安裝海域附近，其次將平臺(tái)主體通過(guò)拖輪濕拖至安裝地點(diǎn).拖航性能是計(jì)算半潛式海洋平臺(tái)拖航成本及工作效率的一項(xiàng)重要指標(biāo).目前國(guó)內(nèi)對(duì)半潛式海洋平臺(tái)濕拖阻力的相關(guān)研究仍處于初步階段，相關(guān)技術(shù)尚未成熟.文獻(xiàn)［4］中對(duì)某自升式平臺(tái)進(jìn)行了靜水拖航阻力試驗(yàn)、不規(guī)則波下拖航阻力試驗(yàn)及風(fēng)阻力試驗(yàn)，得到了不同拖航速度下拖航阻力及縱搖角值.文獻(xiàn)［5］采用Fluent軟件對(duì)6種常見(jiàn)端部形式(半圓形、導(dǎo)圓角形、尖角形和加導(dǎo)流段形等)的浮箱的拖航阻力進(jìn)行了計(jì)算并研究了不同端部形式對(duì)拖航阻力性能的影響.結(jié)果表明:半圓形和加導(dǎo)流段形狀的浮箱的拖航阻力性能優(yōu)于其它幾種.文獻(xiàn)［6］中采用Fluent對(duì)某半潛式海洋平臺(tái)深吃水拖航工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與淺水工況下的拖航阻力進(jìn)行了比較分析.結(jié)果表明:深吃水拖航阻力約為淺吃水拖航阻力的2～3倍;在拖航速度2m/s下，深吃水拖航阻力約為1 000 kN，其中浮箱約占50%，立柱和橫撐約各占25%.文獻(xiàn)［7］采用Fluent軟件研究了橫撐間距對(duì)拖航阻力影響.研究表明:橫撐間距小于5m時(shí)，2根橫撐的拖航阻力接近單根橫撐拖航阻力.文獻(xiàn)［8］中進(jìn)行了低傅汝德數(shù)下的模型拖航試驗(yàn)，對(duì)SPAR模型濕拖阻力的構(gòu)成情況進(jìn)行了分析，并提出了SPAR平臺(tái)濕拖阻力的近似估算方法.文獻(xiàn)［9］中通過(guò)時(shí)域Rankine方法對(duì)非規(guī)則波下船舶時(shí)域附加阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算并與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明上述方法與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.文獻(xiàn)［10］中通過(guò)不同方法對(duì)波浪中船體的附加阻力進(jìn)行了研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了拖航速度、吃水以及平臺(tái)本身結(jié)構(gòu)形式等對(duì)拖航阻力影響，但不同拖航角度對(duì)拖航阻力影響的研究甚少，因此，文中采用DES湍流數(shù)值模擬法對(duì)不同拖航角度下的拖航阻力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)變化規(guī)律及其原因進(jìn)行討論與分析.

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 DES湍流數(shù)值模擬法

文中數(shù)值計(jì)算方法采用分離渦數(shù)值模擬法(detached eddy simulation，DES)，其基本思想為在邊界層近壁區(qū)采用非穩(wěn)定雷諾時(shí)均法(RANS)，在分離區(qū)采用大渦模擬法.流動(dòng)控制方程如下［11］:

湍動(dòng)粘度方程:

式(5，6)中各項(xiàng)如下:

式中常數(shù)如下:

式中:y為網(wǎng)格點(diǎn)距壁面垂直距離;Δ為網(wǎng)格尺度，定義如下:

其中CLES=0.65［12］.

1.2 計(jì)算模型與邊界條件

表1 平臺(tái)主體主尺度Table1 M ain parameters of platform m

圖1 平臺(tái)示意Fig.1 Plot of p latform

圖2 邊界條件Fig.2 Boundary condition

將整個(gè)流域分為若干區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量.為對(duì)復(fù)雜邊界進(jìn)行精確模擬，平臺(tái)各壁面附近及尾流場(chǎng)區(qū)域采用精細(xì)網(wǎng)格，并保證第一層網(wǎng)格位于粘性底層內(nèi).除平臺(tái)周?chē)臀擦鲄^(qū)域加密外，其他區(qū)域均采用較疏網(wǎng)格以控制網(wǎng)格數(shù)量.平臺(tái)表面網(wǎng)格如圖3，平臺(tái)周?chē)W(wǎng)格如圖4所示，不同來(lái)流方向下網(wǎng)格數(shù)目見(jiàn)表2.

圖3 平臺(tái)表面網(wǎng)格Fig.3 M eshes on surface of p latform

圖4 平臺(tái)周?chē)W(wǎng)格Fig.4 M eshes around Platform

表2 不同來(lái)流方向下的模型網(wǎng)格數(shù)Table2 M esh number of different incidence angles

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同來(lái)流方向下拖航阻力分析

表3為不同來(lái)流角度下平臺(tái)各構(gòu)件阻力占平臺(tái)總阻力的百分比.從整體進(jìn)行分析，在平臺(tái)拖航過(guò)程中，下浮體和立柱阻力值處于主要地位.下浮體阻力在總阻力中的百分比隨來(lái)流角度的增大而逐漸增大;尤其是下浮體PR的占比，隨來(lái)流角度的增大出現(xiàn)較大幅度的增加.這主要是因?yàn)?隨來(lái)流角度的增大，下浮體PR迎流面積逐漸增大，從而導(dǎo)致阻力越來(lái)越大.下浮體PL的受力隨來(lái)流角度的增大而增大.下浮體PL的阻力系數(shù)的占比隨來(lái)流角度的變化而變化:0°～60°來(lái)流角下，下浮體PL的阻力系數(shù)占比隨來(lái)流角度增加有所增加，但增加幅度較小.60°～90°來(lái)流角下，PL阻力占比有所減少.這是因?yàn)殡S來(lái)流角的增大，下浮體PR的尾流“屏蔽區(qū)”不斷增大，導(dǎo)致下浮體PL逐漸完全處于下浮體PR的尾流中.在來(lái)流角0°時(shí)，下游立柱位于上游立柱“屏蔽區(qū)”，使得下游立柱所受來(lái)流沖擊減小，導(dǎo)致上游立柱C1和C4的阻力系數(shù)比下游立柱C2和C3的阻力系數(shù)大.隨來(lái)流角度增大，立柱C1和C2所受阻力越來(lái)越小，這是由于C1，C2位于C3，C4尾流“屏蔽區(qū)”越來(lái)越大的緣故.由于流場(chǎng)的復(fù)雜作用，立柱C3和C4所受阻力隨來(lái)流角度的變化趨勢(shì)不明顯，但存在一定的振蕩變化現(xiàn)象.橫撐BF和BB所占百分比隨來(lái)流角度的變化幾乎可以忽略不計(jì)，30°來(lái)流下，橫撐BF的阻力為0°時(shí)的1/3，橫撐BB的阻力為0°時(shí)的1/2.由于橫撐位置較為特殊，90°來(lái)流下，橫撐BF和BB的阻力所占百分比接近0，主要是由很小部分的粘性力引起的.

表3 不同來(lái)流方向下平臺(tái)各部分阻力所占百分比Table3 Percent ratio of each structure under different incidence angles %

2.2 阻力系數(shù)及升力系數(shù)分析

三維結(jié)構(gòu)物阻力系數(shù)CD及升力系數(shù)CL定義如下:

式中:FD和FL分別為結(jié)構(gòu)物所受阻力和升力;ρ為流體密度;A為結(jié)構(gòu)物迎流面面積.

圖5為0°來(lái)流下阻力系數(shù)和升力系數(shù)的時(shí)歷曲線(xiàn)圖.從圖5可看出，平臺(tái)阻力系數(shù)及升力系數(shù)時(shí)歷曲線(xiàn)變化紊亂、無(wú)規(guī)則，這是因?yàn)椴捎肈ES模擬法的緣故.DES一方面對(duì)近壁區(qū)采用非穩(wěn)定雷諾時(shí)均法，對(duì)壁面附近小渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，另一方面對(duì)分離區(qū)采用LES法進(jìn)行模擬.由于橫向力對(duì)尾渦形成有一定推動(dòng)作用，從而升力系數(shù)比阻力系數(shù)的周期性變化現(xiàn)象更為明顯.從升力系數(shù)時(shí)歷變化可分析，平臺(tái)尾部有低頻大渦形成，同時(shí)在一個(gè)大渦的釋放過(guò)程中，又有大量高頻小渦產(chǎn)生，從而導(dǎo)致升力系數(shù)變化具有一定周期性和“脈動(dòng)性”的特點(diǎn).

圖5 0°來(lái)流阻力系數(shù)時(shí)歷曲線(xiàn)和升力系數(shù)時(shí)歷曲線(xiàn)Fig.5 Time history of drag coefficient and lift coefficient at incidence angle of 0°

不同拖航角度下各構(gòu)件所受阻力見(jiàn)表4，圖6為不同來(lái)流方向下平臺(tái)總阻力系數(shù)C及各構(gòu)件阻力系數(shù)的變化圖.從圖6可以看到，平臺(tái)總阻力系數(shù)在來(lái)流角度θ為0°～60°時(shí)幾乎不變，而60°～90°來(lái)流角時(shí)阻力系數(shù)有減小趨勢(shì).比較平臺(tái)各構(gòu)件的阻力系數(shù):不同來(lái)流角度下立柱阻力系數(shù)比橫撐阻力系數(shù)大，橫撐阻力系數(shù)較下浮體阻力系數(shù)小，下浮體阻力系數(shù)較立柱阻力系數(shù)小，下浮體阻力系數(shù)在某值附近來(lái)回振蕩.立柱阻力系數(shù)變化與其上述阻力占比變化趨勢(shì)近似，這是立柱縱橫向間距相等的緣故.橫撐阻力系數(shù)隨來(lái)流角度增大而減小，這是由橫撐的特殊位置所決定的，隨來(lái)流角度增大，橫撐受到的流體沖擊力逐漸減小，是受到部分粘性力的緣故.

圖6 不同來(lái)流角度下阻力系數(shù)變化曲線(xiàn)Fig.6 Drag coefficient of different structures under different incidence angles

表4 各工況計(jì)算結(jié)果Table4 Results of different incidence angles

2.3 流場(chǎng)分布圖

圖7～10為不同來(lái)流方向下平臺(tái)表面附近流場(chǎng)分布圖，從圖7可分析，平臺(tái)各構(gòu)件表面附近流場(chǎng)分布不盡相同.平臺(tái)表面基本流向?yàn)檠豿軸正方向，流體流經(jīng)立柱時(shí)，流體繞向兩邊與其它流場(chǎng)相互作用.下浮體上表面水流沿x負(fù)方向流動(dòng)，這是緣于下游立柱的作用，導(dǎo)致立柱間回流產(chǎn)生.橫撐附近有大量渦，尤其是上游橫撐，上游橫撐附近有明顯渦流，而下游橫撐周?chē)骶€(xiàn)較均勻.另外，橫撐、立柱與下浮體附近流場(chǎng)相當(dāng)復(fù)雜，流體流向具有向各個(gè)方向的可能性.下浮體尾后為小速度場(chǎng)，即為壓強(qiáng)較大處，意味著此區(qū)域附近有大量渦，導(dǎo)致阻力有所減弱.從圖8可分析，立柱C1和C4表面流體分別向兩個(gè)對(duì)角流動(dòng);C2和C3附近主要向尾流流動(dòng)，背面包含小速度流場(chǎng)，流向較為復(fù)雜，含有大量渦旋流動(dòng).橫撐表面流動(dòng)較為均勻地流向尾后，還有大量尾流沿著橫撐流動(dòng).下浮體兩頂端處產(chǎn)生大量回流，導(dǎo)致部分阻力消失.整個(gè)流場(chǎng)，主要流動(dòng)中又含有大量逆方向流動(dòng)，可以抵消部分阻力.從圖9可分析，迎流面下浮體PR表面有大范圍小速度流場(chǎng)，意味著大量小渦產(chǎn)生，而下浮體PL附近有大量大渦產(chǎn)生，向逆方向流動(dòng)，尤其是C2與橫撐交界處有大渦產(chǎn)生.并且此角度下有大量流沿下浮體法向流動(dòng)，降低了部分阻力;下浮體背面有大范圍小速度流場(chǎng).位于下浮體PR尾流中的橫撐，一部分附近有大量小速度流;且沿著橫撐流動(dòng)，另一部分為高速度流，主要是緣于交界處的作用.從圖10可分析，橫撐幾乎完全位于下浮體PR尾流中，此時(shí)橫撐附近流場(chǎng)有大量小速度渦，沿著橫撐進(jìn)行交互運(yùn)動(dòng).兩下浮體背面均包含大量小速度渦，下浮體迎流面流體向下運(yùn)動(dòng)，背面流體呈漩渦形狀，方向不定，底部流體逆流向，有利于阻力降低.立柱迎流面流向主要為兩邊，而背流面為小速度流場(chǎng).由于下浮體逆向流范圍較大，導(dǎo)致下浮體90°時(shí)的阻力較0°時(shí)的阻力小.

圖7 0°來(lái)流下平臺(tái)表面附近流場(chǎng)分布Fig.7 Flow field distribution on surface of platform at incidence angle of 0°

圖8 30°來(lái)流下平臺(tái)表面附近流場(chǎng)分布Fig.8 Flow field distribution on surface of platform at angle of 30°

圖9 60°來(lái)流下平臺(tái)表面附近流場(chǎng)分布Fig.9 Flow field distribution on surface of platform at incidence angle of 60°

3 結(jié)論

1 )不同來(lái)流方向下平臺(tái)各構(gòu)件所受阻力各不相同，下浮體占據(jù)總阻力比最大(尤其是90°來(lái)流下)，其次為立柱.

2 )阻力系數(shù)及升力系數(shù)時(shí)歷曲線(xiàn)變化具有“脈動(dòng)性”.

3 )通過(guò)對(duì)平臺(tái)表面附近流場(chǎng)分布分析可知，由于不同結(jié)構(gòu)間周?chē)黧w相互作用，導(dǎo)致回流產(chǎn)生，因而極易產(chǎn)生小尺度漩渦.

4 )平臺(tái)受力特性為平臺(tái)表面受到流體的沖擊作用，即為正壓力;上游尾后流場(chǎng)“屏蔽”作用，下游結(jié)構(gòu)受到一定負(fù)壓力作用;各結(jié)構(gòu)表面形成的邊界層具有吸附力.

5 )“屏蔽”、回流作用及渦流各向相異性作用等使不同拖航方向下平臺(tái)總阻力相異，0°～60°下，拖航阻力有所增大，但增長(zhǎng)率較小;而60°～90°下，拖航阻力明顯減小，尤其是在90°下達(dá)到最小.

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