王志東， 莊麗帆， 凌宏杰， 戴 挺， 陳茂僑

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 大連116052)

流體粘性對(duì)半潛式平臺(tái)氣隙量的影響研究

王志東1， 莊麗帆1， 凌宏杰1， 戴 挺2， 陳茂僑1

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 大連116052)

為了探究半潛式平臺(tái)在工作海況下氣隙量的變化情況，該文基于勢(shì)流理論和粘流理論開展了在不同有義波高、譜峰周期和浪向角下共計(jì)29個(gè)工況下的半潛式平臺(tái)氣隙量的數(shù)值預(yù)報(bào)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：粘、勢(shì)流理論計(jì)算的氣隙量隨著影響因素的變化具有相同的變化趨勢(shì)，但粘流理論計(jì)算的負(fù)氣隙量普遍大于勢(shì)流理論，且在平臺(tái)下甲板邊緣和立柱周圍處負(fù)氣隙分布差別較大。這是由于粘流理論在求解時(shí)綜合考慮了入射波、繞射波、輻射波的波形疊加及波浪沿立柱的爬高效應(yīng)，對(duì)半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

半潛式平臺(tái)；氣隙；勢(shì)流理論；粘流理論

0 前言

氣隙規(guī)定為海洋平臺(tái)下層甲板底部至波面間的垂直距離，平臺(tái)初始?xì)庀秳t定義為下層甲板至靜水面的垂直距離。平臺(tái)氣隙是研究浮式平臺(tái)安全性能的重要因素，它是半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，因此，對(duì)氣隙量進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)對(duì)于平臺(tái)的設(shè)計(jì)有著重要的意義。

對(duì)于半潛式平臺(tái)氣隙問(wèn)題的研究，在勢(shì)流理論方面，Sweetman和Wimerstein等[1～3]對(duì)平臺(tái)氣隙響應(yīng)水池模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析，提出了適用于平臺(tái)初期設(shè)計(jì)和終期設(shè)計(jì)的預(yù)報(bào)方法。Stansberg[4]等人利用勢(shì)流軟件WIMIT對(duì)半潛式平臺(tái)周圍的波高和氣隙響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)線性方法過(guò)于低估了平臺(tái)的相對(duì)波面升高，而二階非線性方法在一些情況下能基本滿足工程預(yù)報(bào)的要求。Kazemi和Incecik[5,6]采用兩種數(shù)值模型計(jì)算平臺(tái)的氣隙響應(yīng)：第一種為完全線性的直接邊界元方法，第二種為混合邊界元方法。初步對(duì)半潛式平臺(tái)進(jìn)行了氣隙性能預(yù)報(bào)，提出波陡較小時(shí)可采用線性方法進(jìn)行計(jì)算。馬巍巍、余建星、于皓[7]對(duì)一座Truss Spar平臺(tái)的氣隙進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)是影響氣隙性能的主要因素。陶晶晶[8]利用國(guó)外水池模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)氣隙響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與多種預(yù)測(cè)模型的數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，因而引入了三個(gè)理論模型。蔣安[9]分析了一、二階勢(shì)流理論在預(yù)報(bào)平臺(tái)氣隙響應(yīng)時(shí)的可靠性、優(yōu)劣性，以及其中的原因和規(guī)律。

在粘流理論方面，Lwanowski[10]等利用ComFLOW軟件通過(guò)求解N-S方程結(jié)合改進(jìn)的VOF方法預(yù)報(bào)了平臺(tái)的氣隙性能并捕捉平臺(tái)周圍的波浪爬坡和上浪現(xiàn)象。曾志[11]等利用氣隙響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出高階散射和立柱處的波浪爬升效應(yīng)對(duì)氣隙的影響不可忽略。梁修鋒[12]等人采用粘流軟件FLUENT對(duì)半潛平臺(tái)在某極端惡劣波浪環(huán)境條件下的氣隙分布進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)。張磊[13]主要研究了入射波、繞射波、輻射波以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)氣隙響應(yīng)的貢獻(xiàn)和影響，同時(shí)指出，入射波對(duì)總波浪高程貢獻(xiàn)最大，其次是繞射波，輻射波貢獻(xiàn)最小。單鐵兵[14]對(duì)深海半潛式平臺(tái)氣隙、波浪爬升、砰擊及上浪問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明位于平臺(tái)前立柱和后立柱迎浪面附近下甲板的零氣隙次數(shù)最多，其中靠近后立柱迎浪面位置的波浪砰擊次數(shù)約為前立柱迎浪面位置的數(shù)倍。

該文分別運(yùn)用AQWA軟件采用基于三維勢(shì)流理論、三維頻域Greeen函數(shù)分布源法和在FINE/Marine軟件中選用三維非定常分離隱式求解器，k-ωSST模型、采用上風(fēng)格式離散求解RANS方程對(duì)半潛式平臺(tái)在29種海況下的氣隙響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，探討了流體粘性對(duì)半潛式平臺(tái)氣隙量預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。

1 半潛式平臺(tái)模型的建立

該文目標(biāo)平臺(tái)是半潛式平臺(tái)，工作水深為250m，平臺(tái)的主要參數(shù)見表1。

表1 半潛式平臺(tái)主尺度

圖1 半潛式平臺(tái)主視圖

坐標(biāo)系定義如圖1、圖2所示，其中Z軸垂直于水線面，方向向上，半潛式平臺(tái)的三維建模如圖2所示。

圖2 半潛式平臺(tái)俯視圖

圖3 半潛式平臺(tái)幾何模型圖

2 半潛式平臺(tái)網(wǎng)格的劃分

勢(shì)流理論計(jì)算時(shí)，半潛式平臺(tái)表面網(wǎng)格的劃分由于AQWA軟件計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量的局限性，劃分了三套網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格敏感性研究最終采用上疏下密的劃分方式，上部網(wǎng)格長(zhǎng)度為1.5 m，下部網(wǎng)格長(zhǎng)度為1 m，網(wǎng)格數(shù)為14 108。半潛式平臺(tái)表面網(wǎng)格分布如圖4所示。

粘性流體選用在FINE/Marine軟件的HEXPRESS模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置長(zhǎng)為415 m(約5 L)，寬為232 m(約3 L)，高為90 m(約L)的方形計(jì)算域，平臺(tái)的位置處于距計(jì)算域入水口處約3 L，距計(jì)算域外側(cè)約L，距計(jì)算域頂部約0.5 L處的中心位置上。劃分的四套0°浪向角網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)軟件中網(wǎng)格質(zhì)量的檢查和敏感性分析，該文對(duì)半潛式平臺(tái)模型采用自由液面和局部網(wǎng)格加密。5個(gè)浪向角的網(wǎng)格數(shù)量均為300萬(wàn)左右，90°浪向角網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 基于AQWA軟件的平臺(tái)表面網(wǎng)格分布圖 圖5 基于FINE/Marine軟件的平臺(tái)表面網(wǎng)格分布圖

3 半潛式平臺(tái)計(jì)算工況的設(shè)定

圖6 平臺(tái)下甲板觀測(cè)點(diǎn)布置圖

半潛式平臺(tái)工作水深為250 m，有義波高Hs=10m，譜峰周期Tp=14.1s、12.8s、11.8s、10.6s；有義波高Hs=8m，譜峰周期Tp=9.5s、10.1s，浪向角β=0°、30°、45°、60°、90°，共計(jì)29個(gè)工況下半潛式平臺(tái)氣隙量的數(shù)值預(yù)報(bào)。

浪向角是指浪向與x軸正向的夾角，如圖2所示。為便于觀測(cè)半潛式平臺(tái)在各工況下的氣隙變化量，在平臺(tái)下甲板上布置了88個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)主要位于平臺(tái)下甲板的邊緣、立柱周圍及平臺(tái)幾何中心處，觀測(cè)點(diǎn)分布如圖6所示。其中勢(shì)流理論計(jì)算中所選用的34個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)稱取自這88個(gè)點(diǎn)。

該半潛式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)選用8根錨鏈線，在平臺(tái)的每個(gè)立柱的拐角處分別設(shè)置2根。勢(shì)流軟件中對(duì)系泊采用懸鏈線方式，而粘流軟件對(duì)系泊采用彈性錨定，即兩端采用錨、系泊點(diǎn)定位，并設(shè)置剛度及預(yù)應(yīng)力。圖7介紹了系泊系統(tǒng)中使用的錨鏈線及其編號(hào)，表2為半潛式平臺(tái)懸鏈線的參數(shù)。

圖7 懸鏈線的設(shè)定示意圖

表2 半潛式平臺(tái)懸鏈線參數(shù)

4 基于粘流及勢(shì)流理論的半潛式平臺(tái)負(fù)氣隙量預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)勢(shì)流軟件、粘流軟件對(duì)半潛式平臺(tái)氣隙的計(jì)算，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)氣隙量的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，得出相同工況下勢(shì)流理論與粘流理論計(jì)算半潛式平臺(tái)的負(fù)氣隙量。平臺(tái)最大氣隙對(duì)比圖如圖8所示。

從圖8中可以看出：粘、勢(shì)流理論計(jì)算出的負(fù)氣隙量值的整體趨勢(shì)近似相同；負(fù)氣隙量隨著波浪譜峰周期和有義波高的增加而增加，且在平臺(tái)垂向固有周期11 s附近發(fā)生共振現(xiàn)象，垂蕩運(yùn)動(dòng)較為劇烈，在有義波高H1/3=10m，浪向角β=0°時(shí)，負(fù)氣隙值分別達(dá)到6.81m、8.79m。然而從整體看來(lái)，粘流理論計(jì)算出半潛式平臺(tái)的負(fù)氣隙量普遍大于勢(shì)流理論的計(jì)算結(jié)果。

對(duì)觀測(cè)點(diǎn)比較后可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)氣隙預(yù)報(bào)結(jié)果相差量值較大的觀測(cè)點(diǎn)均處于平臺(tái)下甲板的邊緣和立柱周圍的外角隅處。但其中存在部分不符規(guī)律的奇點(diǎn)，這是由于在粘流軟件數(shù)值模擬中，當(dāng)波浪對(duì)下甲板產(chǎn)生砰擊時(shí)，并沒(méi)有考慮下甲板的限制，而在勢(shì)流軟件中則不會(huì)出現(xiàn)波浪沖破下甲板現(xiàn)象。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在有義波高8m的情況下(最大波高為12m)，如圖8(a)、(c)、(e)、(g)、(i)所示，負(fù)氣隙相差量值在0.02m～3.62m，約占最大波高的0.2%～30%；在有義波高10m的情況下(最大波高為15m)，如圖7(b)、(d)、(f)、(h)、(j)所示，負(fù)氣隙差量值在0.27～5.71m左右，約占最大波高的2%～ 38%，用于描述波浪爬坡高度導(dǎo)致負(fù)氣隙量值的增加幅度。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是波浪的高階散射和某一瞬間流體與立柱或甲板邊緣處的耦合作用引起飛濺或波浪爬坡效應(yīng)對(duì)氣隙的影響不可忽略。而粘流軟件利用高品質(zhì)網(wǎng)格和高精度的自由液面捕捉技術(shù)考慮了入射波、繞射波、輻射波疊加后的波面，以及波浪沿立柱的爬高、飛濺及砰擊等強(qiáng)非線性作用，進(jìn)一步惡化了平臺(tái)的生存環(huán)境。而勢(shì)流軟件無(wú)法處理波形的疊加和波浪沿立柱的爬高，使得粘流理論計(jì)算出半潛式平臺(tái)的負(fù)氣隙量普遍大于勢(shì)流理論的計(jì)算結(jié)果。

圖9給出了相同工況下AQWA軟件與FINE/Marine軟件計(jì)算出的負(fù)氣隙對(duì)比云圖。從圖9(a)、(b)、(c)中的上半圖可以看出，勢(shì)流理論計(jì)算出的負(fù)氣隙量在半潛式平臺(tái)上的分布呈現(xiàn)出左右對(duì)稱，且平臺(tái)偏向中后部負(fù)氣隙量值最小，在平臺(tái)迎浪和背浪處負(fù)氣隙量值較大；從圖9(a)、(b)、(c)中的下半圖可以看出，粘流理論計(jì)算出的負(fù)氣隙量在半潛式平臺(tái)上的分布與勢(shì)流理論計(jì)算出的負(fù)氣隙量在半潛式平臺(tái)上的分布近似相同。其中，在半潛式平臺(tái)中心區(qū)域的分布負(fù)氣隙量大致相同，差別較大的主要是在平臺(tái)下甲板四周邊緣位置和立柱周圍，尤其是立柱的外角隅區(qū)域。在有義波高H1/3=10m，譜峰周期Tp=12.8s，浪向角β=0°的高海況下，粘流理論計(jì)算得到立柱處的負(fù)氣隙值近高達(dá)5m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)勢(shì)流理論計(jì)算所得，故高階散射和立柱處的波浪爬升效應(yīng)對(duì)氣隙的影響不可忽略。

圖8 基于粘流及勢(shì)流理論的氣隙對(duì)比分析圖

圖9 基于粘流及勢(shì)流理論的負(fù)氣隙云圖

圖10 某一時(shí)刻平臺(tái)波浪耦合圖

圖10給出了基于粘流理論的半潛式平臺(tái)與波浪耦合響應(yīng)。從圖10中可以看出，平臺(tái)周圍的波形與平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)存在顯著的耦合現(xiàn)象。

5 結(jié)論

該文重點(diǎn)分析了勢(shì)流及粘流對(duì)平臺(tái)氣隙量預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：

(1) 粘、勢(shì)流理論計(jì)算負(fù)氣隙量值的整體趨勢(shì)近似相同，但粘性流體計(jì)算軟件計(jì)算的負(fù)氣隙量值普遍大于勢(shì)流軟件的計(jì)算結(jié)果。

(2)粘、勢(shì)流理論計(jì)算出的負(fù)氣隙量在半潛式平臺(tái)上的分布近似相同，但粘流理論計(jì)算得到的平臺(tái)下甲板邊緣和立柱周圍處較于其中間區(qū)域更容易出現(xiàn)負(fù)氣隙。在高海況下，粘流理論計(jì)算得到立柱處的負(fù)氣隙值近高達(dá)5m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)勢(shì)流理論計(jì)算所得。

(3)粘性流體中的高階散射和立柱處的波浪爬升效應(yīng)對(duì)平臺(tái)氣隙的影響不可忽略，尤其是波浪爬坡、飛濺和砰擊等非線性作用。在有義波高8m的情況下，粘、勢(shì)流理論計(jì)算的負(fù)氣隙相差量值約占最大波高的0.2%～30%；在有義波高10m的情況下，負(fù)氣隙差量值約占最大波高的2%～38%。因此在計(jì)算過(guò)程中，必須要考慮粘流的影響。

(4)粘性流體在求解時(shí)還綜合考慮了入射波、繞射波、輻射波的波形疊加及波浪沿立柱的爬高效應(yīng)，而勢(shì)流理論無(wú)法處理波形疊加和波浪沿立柱的爬高。

因此，粘性流體對(duì)半潛式平臺(tái)氣隙預(yù)報(bào)結(jié)果的影響較大，伴隨出現(xiàn)波浪爬坡、砰擊、飛濺等強(qiáng)非線性特性，有必要深入開展粘性流場(chǎng)中半潛式平臺(tái)氣隙規(guī)律的預(yù)報(bào)研究及相關(guān)模型試驗(yàn)研究，以探明飛濺、砰擊等局部瞬態(tài)強(qiáng)非線性對(duì)平臺(tái)氣隙統(tǒng)計(jì)特性分析的影響。

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The Effects of Fluid Viscosity to the Air Gap of the Semi-submersible Platform

WANG Zhi-dong1, ZHUANG Li-fan1， LING Hong-jie1，DAI Ting2， CHEN Mao-qiao1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China; 2.Dalian Shipbuilding Industry Group, Design Institute, Liaoning Dalian 116052, China)

When the semi-submersible platform is in the working sea conditions, in order to explore the changes of the amount of its air gap, the numerical prediction of the air-gap response is carried out based on potential flow theory and viscous flow theory respectively in this paper. There are in total 29 kinds calculation conditions in different sea conditions and wave angles. The results show that: the overall trend of the negative air gap is the same on the order of magnitude as the change of influencing factors. But the magnitude of the negative air gap calculated by the viscous flow theory is more than the potential flow theory. And the negative air gap distributed on the edge of the platform deck and around the columns had significant difference. in solving the incident, diffracted waves, wave superposition of waves along the column and climb effect radiation waves. This is due to viscous flow theory considering the addition of waveforms including incident wave, diffracted wave and radiated wave and the climb effect of waves along the column. So the air gap response numerical prediction can provide a reference basis for engineering design.

semi-submersible platform; air gap; potential flow theory; viscous flow theory

2014-09-22

王志東(1967-)，男，教授。

1001-4500(2015)04-0057-07

P75

A