陳一山， 孫桂芳， 郇學東， 王占棟， 張永康

(東南大學，南京 211189)

基于FLUENT的圓筒形海工平臺外部流場數(shù)值模擬

陳一山， 孫桂芳， 郇學東， 王占棟， 張永康

(東南大學，南京 211189)

為了探究浮態(tài)制造過程中風和浪的作用下圓筒型海工平臺附近流場信息，基于Fluent對風和浪作用下圓筒型海工平臺外部流場進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：由于圓筒型海工平臺的阻礙和流體的粘性，平臺迎風面一側(cè)表面壓強較大，附近液面較高，空氣和水流速較慢；平臺背風面附液面較平，空氣和水流速較??；平臺兩側(cè)液面較低，但空氣和水流速較快；同時在迎風面和背風面均有漩渦存在。研究結(jié)果對于圓筒形海工平臺制造具有指導意義。

圓筒形海工平臺；Fluent；外部流場；風浪

0 前言

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展, 人類對石油的需求不斷增長，然而陸地上以及近海岸的油氣資源日漸枯竭，進軍深海已成為必然趨勢[1]。全球油氣資源總量約34%是海洋油氣資源，我國海域遼闊，海洋資源豐富，渤海、黃海、東海和南海蘊含的海洋油氣資源儲量也非常巨大。然而我國油氣資源開發(fā)的技術(shù)水平不高，特別是一些世界領(lǐng)先的科學技術(shù)比較少，與先進水平還有很大的差距[2]。因此，深海油氣鉆井平臺作為實現(xiàn)海洋油氣資源勘探的超大型高端裝備，對其進行研發(fā)和建造對于國家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義。

圖1 圓筒形深海鉆井儲油平臺SEVAN 650

在研制國際首座第六代圓筒形深海鉆井儲油平臺SEVAN 650 (如圖1所示)過程中， 由于制造條件特殊和平臺下水困難，張永康提出了一種新的制造方法——浮態(tài)制造[3]。它將水的浮力作為支撐，先以半潛駁船作為制造平臺，并結(jié)合水下旋轉(zhuǎn)工藝來完成平臺底層的制造。當半潛駁船下沉撤離后，再將漂浮在水面上的已建好的平臺底層作為制造平臺，以“分層疊加，逐層制造”的方式來完成整個鉆井儲油平臺的制造[3～5]。在浮態(tài)制造過程中，由于分段的定位和安裝基準是漂浮著的平臺底層，因此，要確保平臺的制造精度，保證平臺有足夠的穩(wěn)定性，浮態(tài)制造水域的流場特性研究對于海工平臺浮態(tài)制造方法具有重要意義。

由于浮態(tài)制造這一新的非傳統(tǒng)制造方法屬于原始創(chuàng)新，國內(nèi)外相關(guān)研究文獻很少。Alfonsi G[6]對速度勢、歐拉方程和納維-斯托克斯方程三種理論框架下，大尺寸側(cè)壁式垂直圓柱體線性波繞流現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬；蘇甲[7]基于OShip軟件對船舶的繞流場進行數(shù)值模擬，并與模型試驗結(jié)果進行了對比；沈翰[8]研究了浮態(tài)制造過程中巨型海工平臺在波浪作用下，制造基底運動和變形對制造精度的影響。然而目前對于浮態(tài)制造過程中巨型圓筒形海工平臺在風和浪同時作用下，其外部流場的研究還沒有。

該文利用N-S方程，對風、浪作用下圓筒形深海半潛式鉆井平臺SEVAN 650外部流場進行數(shù)值模擬分析，得到流場的壓力、自由液面高度、速度等信息[9～12]。利用Pro/E建立三維模型，ANSYS ICEM CFD繪制網(wǎng)格，再運用FLUENT流體仿真軟件，選用SST k-ω模型和VOF模型，采用有限體積法和PISO算法進行計算分析。

1 模型描述

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

該文以圓筒形深海鉆井儲油平臺SEVAN 650為例，圖2 為作為制造基底的平臺底部簡化后的幾何模型主視圖和俯視圖。制造基底的主尺寸為Φ84×16.7 m，吃水深度為5.75 m。假設(shè)風、浪同向，從漂浮著的圓筒形海工平臺一側(cè)流向另一側(cè)。

圖2 制造基底的幾何模型

流域一般選用長方體，根據(jù)平臺實際尺寸選用適宜的流場區(qū)域。該文計算流場域為600 m × 500 m × 80 m。平臺位置處于距入水口處約150 m，距計算域底部約20 m，距計算域外側(cè)250 m處的中心位置上，流體計算域如圖3所示。

圖3 流體計算域

一般情況下，為了盡可能多地減少計算機內(nèi)存負荷，應(yīng)建立較多的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，但是結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格并不適應(yīng)非定常流動，特別是存在波浪的情況下，故該文計算所采用的是非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，而且對于非定常的流體計算，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不易導致計算發(fā)散[13,14]。全局網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為16 m，制造基底與流場接觸，需要細分網(wǎng)格，提高計算精度，所以平臺表面的局部網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為2 m。此外，由于使用明渠波浪邊界[15]產(chǎn)生波浪，空氣與水之間存在明顯的分界面，所以液面附近網(wǎng)格也需要細化，設(shè)置一密度盒，大小為2 m，寬度為1.3 m，使得細化區(qū)域高度大于波高，其他保持默認設(shè)置，生成網(wǎng)格。圓筒形海工平臺表面網(wǎng)格如圖4所示，計算域網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 海工平臺表面網(wǎng)格

圖5 計算域網(wǎng)格

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 連續(xù)性方程

1.2.2 動量守恒方程

式中: vx、vy、vz分別為流體粒子在空間三維方向x、y、z上的速度分量，m/s；ρ為水的密度，kg/m3；μ為動力黏度，N·s/m2；p為流體粒子上的壓力，Pa；fx、fy、fz為流體粒子在空間三維方向x、y、z上的體力，N/m3。

由于無法直接求得上述質(zhì)量守恒方程(1)和動量守恒方程(2)的普遍解，所以必須對控制方程進行離散化，從而運用計算流體力學軟件來求得近似解。

1.2.3 剪切應(yīng)力輸運k-ω模型

該文中流場處于湍流狀態(tài)，因此采用剪切應(yīng)力輸運k-ω模型。剪切應(yīng)力輸運k-ω模型，簡稱SST k-ω模型，結(jié)合了k-ω模型在近壁面計算的優(yōu)點和k-ω模型在遠場計算的優(yōu)點。與標準k-ω模型相比，SST k-ω模型中增加了橫向耗散導數(shù)項，同時湍流粘度定義中考慮了湍流剪切應(yīng)力的輸運過程，模型中使用的湍流常數(shù)也有所不同，這些特點使得SST k-ω模型的適用范圍更廣[16]。

1.2.4 VOF模型

模擬分析過程中存在兩種不相容流體：空氣和水。這兩種流體之間存在著明顯的分界面，且在整個計算過程中分界面是運動的，所以采用VOF模型來計算流動過程中分界面的時空分布。它是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤模型方法[17]，主要用于跟蹤兩種或多種不相容流體的界面位置。在VOF模型中，界面追蹤是通過求解相連續(xù)方程完成，由求出體積分量中急劇變化的點從而來確定分界面的位置。

1.3 邊界條件

模型建立完成后，必須將流體流動的初始條件和模型的邊界條件賦予計算域。入口邊界采用速度入口，風速設(shè)置為3.4 m/s，使用明渠邊界創(chuàng)建波浪，其參數(shù)見表1。出口邊界采用壓力出口，該邊界條件可以處理出口有回流問題。鉆井平臺表面以及計算域除進出口邊界之外的四個邊界均采用無滑移邊界條件。

表1 波浪參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 圓筒形海工平臺表面壓強云圖

圖6是在風和浪作用下，圓筒形海工平臺在浮態(tài)制造過程中的表面壓力云圖。由圖6可知，迎風面一側(cè)壓強較大，隨著時間推移，最大值逐漸穩(wěn)定在8.15×104Pa左右，位于平臺液面下2.35 m位置處，由于承受波浪直接沖擊和風的作用，所以壓力最大值并不是隨著水深增加而位于平臺底部。由于沒有受到波浪的直接沖擊和風的作用，背風面所受壓強小于迎風面，壓強最大值在平臺底部。

2.2 自由液面高度分布云圖

圖7是在風和浪的作用下，在浮態(tài)制造過程中的自由液面的高度分布云圖。由圖7可知，圓筒型海工平臺迎風面一側(cè)附近液面較高，最大值為7 m左右，距平臺上表面約3 m，而背風面一側(cè)液面變化較小，而兩側(cè)液面較低。這主要因為海工平臺的存在，嚴重影響了風和浪的傳播，平臺的迎風面產(chǎn)生的反射波與入射波疊加，使得液面高度局部增大；背風面風和浪作用較小，液面變化較小；由于流體的粘滯性，水流過平臺時，平臺兩側(cè)附近液面變低。同時發(fā)現(xiàn)，圓筒型海工平臺對于波浪傳播影響非常大，平臺附近大范圍的波形遭到了嚴重破壞。

圖6 圓筒形海工平臺表面壓強云圖

圖7 自由液面高度分布云圖

2.3 深海鉆井平臺附近速度矢量圖

圖8是沿風浪速度方向，圓筒形海工平臺中心豎直截面上的速度矢量圖。圖9是圓筒形海工平臺附近液面上的速度矢量圖。由圖8可知，離鉆井平臺較遠處，風速、波速均為設(shè)定的初值，分別為3.4 m/s和10.49 m/s。平臺上方附近，由于平臺的粘滯作用，風速小于初始值；由于平臺阻礙波浪的傳播，下方水流變急，速度大于初始值；而平臺迎風面和背風面附近，風速和波速均小于初始值。由圖9可知，平臺兩側(cè)波速大于初始值。由圖8、圖9可知，在平臺的迎風面和背風面風均產(chǎn)生漩渦；在背風面，水流也產(chǎn)生漩渦。

圖8 圓筒形海工平臺中心豎直截面上的速度矢量圖

圖9 圓筒形海工平臺附近液面上的速度矢量圖

3 結(jié)論

(1) 由于風和浪的沖擊作用，圓筒形海工平臺的迎風面的局部壓強很大，遠大于背風面。在浮態(tài)制造過程中，必須對直接遭到風、浪沖擊的迎風面局部壓強最大處，即平臺液面下2.35 m位置處進行保護，以免影響海工平臺的制造精度以及質(zhì)量。

(2) 圓筒形海工平臺迎風面一側(cè)，由于波浪疊加，液面變高，距平臺約3 m左右，背風面附近液面變化較小，而平臺兩側(cè)液面由于粘滯作用而變低。同時，由于海工平臺的存在，對于海工平臺附近波形產(chǎn)生了嚴重的破壞。平臺迎風面附近液面高度最大值約為7 m，而海工平臺作為制造基底時，上表面位于液面上方約10 m，所以水流不會沖擊到海工平臺上表面而影響平臺其他模塊的制造。

(3) 圓筒形海工平臺迎風面和背風面附近風速和波速均減小，而兩側(cè)速度增大。同時，在迎風面一側(cè)，空氣產(chǎn)生漩渦；而在背風面附近，空氣和水均產(chǎn)生漩渦。以平臺作為制造基底，吊裝其他模塊時，由于平臺兩側(cè)風速較大，為了保證制造精度，應(yīng)避免從平臺風速較大的兩側(cè)開始吊裝，而應(yīng)由平臺中心開始逐漸向外依次吊裝。所要吊裝的模塊離平臺中心距離相近時，應(yīng)優(yōu)先吊裝迎風面或背風面附近的模塊，然后再以吊裝好的模塊和平臺為基準，吊裝風速較大的平臺兩側(cè)的模塊。

(4) CFD可以很容易的實現(xiàn)流場計算，并提供大量詳細的流場信息，省時省力，具有試驗研究無法比擬的優(yōu)點，其結(jié)果對于制造研發(fā)具有很強的指導意義。

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Numerical Simulation of External Flow Field of the Cylindrical Offshore Platform Based on Fluent

CHEN Yi-shan, SUN Gui-fang, HUAN Xue-dong, WANG Zhan-dong, ZHANG Yong-kang

(Southeast University, Nanjing 211189， China)

Numerical simulation of the external flow field of the cylindrical offshore platform is carried out based on Fluent to explore the external flow field around the cylindrical offshore platform under the action of wind and wave. The results show that there is a larger pressure on the surface, higher liquid level, and slower velocity of air and water around the windward side of the platform because of the obstruction of the cylinder offshore platform and the viscosity of the fluid. The liquid surface is flat and velocity of air and water is slower around the leeward side. In both sides of the platform, liquid level is lower, but the velocity of air and water is faster. At the same time, there are vortexes near the windward and leeward side. The research results can provide areference basis for the manufacturing of the cylindrical offshore platform.

cylindrical offshore platform; Fluent; external flow field; wind-wave

1001-4500(2016)06-0062-06

2015-12-17

江蘇省工業(yè)支撐計劃(No. BE2013119)，江蘇省產(chǎn)學研項目(No. BY2015070-05)。

陳一山(1989-)，男，碩士研究生。

P75

A