流花4－1油田海域近海面風(fēng)場(chǎng)特性分析

杜 宇，武文華＊，岳前進(jìn)，李 鋒，謝日彬，李 平

（1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.中海油深圳分公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

風(fēng)荷載是海洋結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)荷載之一，在海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中認(rèn)為風(fēng)荷載由靜力項(xiàng)和脈動(dòng)項(xiàng)組成.在近海固定式平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大，在設(shè)計(jì)中通常只考慮靜風(fēng)荷載的影響，而忽略脈動(dòng)項(xiàng).隨著海洋資源開(kāi)發(fā)逐漸向深遠(yuǎn)海發(fā)展，大型浮式海洋結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，風(fēng)荷載中脈動(dòng)項(xiàng)對(duì)浮式結(jié)構(gòu)的定位能力，以及對(duì)平臺(tái)管道、拉索和薄壁等附屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顫振、抖振和渦激振動(dòng)等問(wèn)題愈發(fā)顯著，使得海洋結(jié)構(gòu)中脈動(dòng)風(fēng)特性的研究受到了廣泛的重視.

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了大量風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)研究，包括對(duì)超高層結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性研究［1－3］，近地面脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性研究［4－6］，大跨橋梁脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性研究［7－8］等.然而針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)近海面風(fēng)場(chǎng)特性研究開(kāi)展的工作相對(duì)較少.Ahmad等對(duì)張力腿平臺(tái)的脈動(dòng)風(fēng)特性開(kāi)展了研究，對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在動(dòng)風(fēng)荷載激勵(lì)下6個(gè)自由度響應(yīng)特征進(jìn)行了分析［9］；Morandi等在北海Hutton TLP平臺(tái)上開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)研究，捕獲了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Lili過(guò)境時(shí)的風(fēng)場(chǎng)信息，以此對(duì)該海域強(qiáng)風(fēng)天氣下的風(fēng)場(chǎng)特性開(kāi)展了研究［10］；Korps等利用北海一處油田實(shí)測(cè)獲得的1年期風(fēng)要素信息，對(duì)此油田的風(fēng)分布特點(diǎn)和脈動(dòng)特性進(jìn)行分析，以此作為發(fā)展風(fēng)力驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的可行性分析基礎(chǔ)［11］.歐進(jìn)萍等對(duì)我國(guó)渤海海域1965～1986年間12個(gè)氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給出了渤海海域的風(fēng)場(chǎng)特性統(tǒng)計(jì)［12］；肖儀清等基于近海海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)臺(tái)風(fēng)黑格比的脈動(dòng)風(fēng)特性進(jìn)行了分析，對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)境過(guò)程進(jìn)行了研究［13］；Hu等在南海奮進(jìn)號(hào)FPSO 上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，獲得了長(zhǎng)期的風(fēng)參數(shù)信息［14］.

上述工作大都只是針對(duì)海岸和淺海位置的風(fēng)特性研究，在南海開(kāi)展的工作也沒(méi)有考慮到脈動(dòng)風(fēng)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的影響.近年來(lái)我國(guó)對(duì)于南海海洋資源開(kāi)發(fā)需求日趨迫切，為保證大型海洋資源開(kāi)發(fā)裝備的安全，在我國(guó)南海深遠(yuǎn)海開(kāi)展實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)特性的研究，進(jìn)而促進(jìn)南海海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的研究是十分必要的.

本文基于在我國(guó)南海流花4－1油田海域進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)原型監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)對(duì)風(fēng)要素樣本進(jìn)行選擇與分析，由典型原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得流花4－1海域脈動(dòng)風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度等風(fēng)特性信息，并對(duì)各類(lèi)風(fēng)特性隨平均風(fēng)速變化的分布特點(diǎn)和相互之間的相關(guān)性進(jìn)行討論.最后對(duì)分析樣本中1h 的風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)譜擬合，并與NPD 和API 規(guī)范中給出的風(fēng)譜以及Davenport 譜、Kaimal譜及von Karman譜進(jìn)行比較.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的脈動(dòng)風(fēng)特性分析，不但可以為新海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也可以作為對(duì)在役海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)行為預(yù)測(cè)的參考.

1 南海流花4－1油田海域風(fēng)要素測(cè)量

流花4－1油田位于香港以東215km，如圖1所示，作業(yè)水深300m，是我國(guó)南海重要的深水油田.該海域地處亞洲季風(fēng)區(qū)，夏季受臺(tái)風(fēng)影響，冬季受長(zhǎng)期的冬季季風(fēng)影響.2006年流花4－1油田海域遭受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用，導(dǎo)致一艘FPSO 系泊失效，因此對(duì)該海域風(fēng)特性的研究是十分必要的.

圖1 南海流花4－1油田位置Fig.1 Location of LH4－1oil field in South China Sea

本文在流花4－1油田半潛平臺(tái)上建立了風(fēng)荷載測(cè)量系統(tǒng).風(fēng)速測(cè)量采用的是英國(guó)Gill公司的WindMaster Pro超聲風(fēng)速儀，它可以測(cè)量定點(diǎn)三維風(fēng)速風(fēng)向信息，靈敏度為0.01 m／s，測(cè)量精度優(yōu)于0.1m／s，以北向?yàn)?°方向.布置位置為平臺(tái)船艉吊機(jī)燈臺(tái)上（如圖2所示），是平臺(tái)除火炬塔外的高點(diǎn)，通過(guò)GPS測(cè)量該位置的平均海拔高度為39m.實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)通過(guò)自主研發(fā)的自適應(yīng)采集器進(jìn)行采集和存儲(chǔ).

圖2 平臺(tái)上的超聲風(fēng)速儀Fig.2 Ultrasonic anemometer on platform

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)風(fēng)特性分析

分析樣本取自監(jiān)測(cè)周期內(nèi)風(fēng)速較大、風(fēng)向穩(wěn)定并來(lái)自船艉的2011－09－22全天24h的數(shù)據(jù)，以10min為基本時(shí)距做平均的樣本風(fēng)速和風(fēng)向曲線(xiàn)如圖3所示.所取樣本測(cè)得最大瞬時(shí)風(fēng)速20.03 m／s，以10 min 為基本時(shí)距測(cè)得最大平均風(fēng)速16.73m／s，10min平均風(fēng)速基本穩(wěn)定在10～15 m／s，屬于強(qiáng)風(fēng)天氣.樣本風(fēng)向變化較小，穩(wěn)定在148°左右，與船艉方向一致，認(rèn)為風(fēng)數(shù)據(jù)沒(méi)有受到火炬塔影響.

圖3 2011－09－22的10min平均風(fēng)速風(fēng)向曲線(xiàn)Fig.3 Mean wind speed and direction per 10min recorded in 2011－09－22

2.1 脈動(dòng)風(fēng)速分析

對(duì)風(fēng)特性的分析采用矢量分解法，以10min為基本時(shí)距確定主風(fēng)向，再通過(guò)矢量分解法獲得脈動(dòng)風(fēng)速.設(shè)水平平均風(fēng)速和風(fēng)向角分別為U和，ux（t）和uy（t）分別為測(cè)量獲得的水平風(fēng)速分量，則根據(jù)矢量分解法有

同時(shí)給出垂向風(fēng)的脈動(dòng)風(fēng)速計(jì)算公式，W為基本時(shí)距內(nèi)垂向風(fēng)平均風(fēng)速，uw（t）為測(cè)得垂向風(fēng)風(fēng)速，則垂向脈動(dòng)風(fēng)速

通過(guò)式（1）～（5）可以確定選取的測(cè)量樣本3個(gè)方向的脈動(dòng)風(fēng)速，得到的脈動(dòng)風(fēng)速曲線(xiàn)如圖4～6所示.

2.2 湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子

湍流強(qiáng)度定義為風(fēng)的脈動(dòng)分量平均變化幅值（即脈動(dòng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差）與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距平均風(fēng)速的比值.計(jì)算方法如下：

圖4 縱向脈動(dòng)風(fēng)速Fig.4 Longitudinal fluctuating wind speed

圖5 橫向脈動(dòng)風(fēng)速Fig.5 Lateral fluctuating wind speed

圖6 垂向脈動(dòng)風(fēng)速Fig.6 Vertical fluctuating wind speed

圖7 平均風(fēng)速與湍流強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relation curve between turbulence intensity and mean wind speed

其中Iu、Iv和Iw分別為3個(gè)方向脈動(dòng)風(fēng)的湍流強(qiáng)度，σu、σv和σw分別為3個(gè)方向脈動(dòng)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差.圖7為湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的變化關(guān)系，縱向和橫向湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大而明顯減小，垂向湍流強(qiáng)度基本維持在0.05左右.在風(fēng)速增大超過(guò)15m／s時(shí)，縱向和橫向湍流強(qiáng)度逼近垂向湍流強(qiáng)度.3個(gè)方向平均湍流強(qiáng)度如表1所示.

表1 3個(gè)方向平均湍流強(qiáng)度Tab.1 Mean turbulence intensity of 3directions

將3個(gè)方向平均湍流強(qiáng)度換算成為三維湍流強(qiáng)度比為Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.498 9∶0.204 4，測(cè)量結(jié)果與陸地建筑規(guī)范中規(guī)定的1∶0.88∶0.50比值存在比較大的差別，因此在海洋結(jié)構(gòu)物抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注與陸地不同的湍流強(qiáng)度比.

為了研究最大陣風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)用于表述陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)最大風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速比值的陣風(fēng)因子Gi（tg）（i＝u，v，w）進(jìn)行實(shí)測(cè)分析.根據(jù)規(guī)范要求，tg取值3s.

圖8～10分別為3個(gè)方向上陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速之間的關(guān)系，由圖可以看出，3個(gè)方向的陣風(fēng)因子都隨著平均風(fēng)速的增加而略微減小，同時(shí)可以看出，縱向脈動(dòng)風(fēng)的陣風(fēng)因子在3個(gè)方向中最大，說(shuō)明縱向脈動(dòng)風(fēng)波動(dòng)性最強(qiáng).

2.3 湍流積分尺度

湍流運(yùn)動(dòng)中不同湍流漩渦參與程度不同，湍流積分尺度是脈動(dòng)風(fēng)中湍流漩渦的平均尺寸的度量，用于反映脈動(dòng)風(fēng)速空間相關(guān)性的強(qiáng)度.對(duì)于空間風(fēng)場(chǎng)，可以定義9個(gè)湍流積分尺度，以縱向脈動(dòng)速度相關(guān)的縱向湍流積分尺度Lxu為例：

其中Ru1u2（x）表達(dá)空間兩不同位置縱向脈動(dòng)風(fēng)速u(mài)1＝u（x1，y1，z1，t）和u2＝u（x2，y2，z2，t）的互協(xié)方差函數(shù)，t為時(shí)間.由于對(duì)空間中不同位置進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，通常都是利用單點(diǎn)測(cè)量估計(jì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)，因此對(duì)計(jì)算湍流積分尺度應(yīng)用比較廣泛的方法是基于Taylor假設(shè)，簡(jiǎn)化為單點(diǎn)測(cè)量的分析.假設(shè)湍流漩渦以平均風(fēng)速U在風(fēng)向上進(jìn)行遷移，則湍流積分尺度計(jì)算簡(jiǎn)化為

其中Ru（τ）為脈動(dòng)風(fēng)速的自相關(guān)函數(shù)，τ為積分的時(shí)間尺度，通常積分上限取為Ru（τ）減小到0.05處的τ值.

利用Taylor法對(duì)被測(cè)樣本湍流積分尺度的分析，得出了縱向、橫向和垂向湍流積分尺度平均值分別為291.9、234.0和79.0m，最大值分別為1 185.3、1 130.0和760.0 m.由于海面空曠，通過(guò)平均值和最大值可以發(fā)現(xiàn)，湍流積分尺度在縱向和橫向之間區(qū)別并不大，但是明顯大于垂向的積分尺度.此外與陸地和近海海面其他監(jiān)測(cè)結(jié)果比較［1，7，13］，可以發(fā)現(xiàn)在相同計(jì)算方法下流花4－1油田海域具有相對(duì)比較大的湍流積分尺度.

圖8 平均風(fēng)速與縱向陣風(fēng)因子關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 Relation curve between longitudinal gust factor and mean wind speed

圖9 平均風(fēng)速與橫向陣風(fēng)因子關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.9 Relation curve between lateral gust factor and mean wind speed

圖10 平均風(fēng)速與垂向陣風(fēng)因子關(guān)系曲線(xiàn)Fig.10 Relation curve between vertical gust factor and mean wind speed

為了詳細(xì)分析湍流積分尺度變化特點(diǎn)，繪制了時(shí)間尺度下的縱向和橫向湍流積分尺度曲線(xiàn)，如圖11、12所示.縱向、橫向湍流積分尺度發(fā)生最大位置在9h左右，其后風(fēng)速變化劇烈，引起比較強(qiáng)的湍流積分尺度變化，此時(shí)并不是風(fēng)速最大位置，類(lèi)似的發(fā)生在18h和21h左右，因此可以發(fā)現(xiàn)湍流積分尺度并不與風(fēng)速呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系.

圖11 縱向湍流積分尺度隨時(shí)間變化Fig.11 Time domain of longitudinal integral scale of turbulence

圖12 橫向湍流積分尺度隨時(shí)間變化Fig.12 Time domain of lateral integral scale of turbulence

圖13為平均風(fēng)速與湍流積分尺度關(guān)系，可以印證之前的結(jié)論，整體上湍流積分尺度隨著平均風(fēng)速的增加而呈增加趨勢(shì)，但是體現(xiàn)出了一定的離散性，最大值也并不發(fā)生在風(fēng)速最大處.隨著風(fēng)速的增加，離散性愈發(fā)強(qiáng)烈，沒(méi)有固定的規(guī)律.因此在海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同海域的實(shí)測(cè)結(jié)果作為參考.

2.4 脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度

脈動(dòng)風(fēng)功率譜是海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要參量，表征了不同頻率湍流漩渦的貢獻(xiàn).目前大量的風(fēng)譜形式被廣泛應(yīng)用，比較普遍的有von Karman譜、Kaimal譜和Davenport譜等.選擇合適的風(fēng)譜對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的設(shè)計(jì)具有重要的意義.

圖13 平均風(fēng)速與湍流積分尺度關(guān)系Fig.13 Integral scale of turbulence versus mean wind speed

根據(jù)文獻(xiàn)［9］的建議，脈動(dòng)風(fēng)功率譜可以表達(dá)為量綱一的形式：

式中：a＝u，v，w；n為脈動(dòng)風(fēng)頻率；Sa為脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)；u＊為摩阻速度；fz＝nz／U，為莫寧坐標(biāo).分析中，u＊可由下式得出：

式中：k為馮卡門(mén)常數(shù)，取為0.4；z為測(cè)點(diǎn)高度，39 m；z0為粗糙度長(zhǎng)度，按照Ⅰ類(lèi)粗糙度類(lèi)別取0.001m.

圖14 縱向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度Fig.14 Longitudinal fluctuating wind power spectral density

圖15 橫向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度Fig.15 Lateral fluctuating wind power spectral density

選取樣本數(shù)據(jù)中1h的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜的擬合，選取數(shù)據(jù)為11：30～12：30響應(yīng)比較強(qiáng)烈的樣本數(shù)據(jù)，平均風(fēng)速14 m／s，平均風(fēng)向156.34°，u＊＝0.325 5.圖14和15分別為縱向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度和橫向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度以及與其他風(fēng)譜的比較.從比較中可以發(fā)現(xiàn)，Davenport譜對(duì)實(shí)測(cè)譜能量存在明顯的低估；Kaimal譜對(duì)縱向脈動(dòng)風(fēng)功率譜擬合比較好，但是對(duì)橫向脈動(dòng)風(fēng)功率譜擬合則存在能量低估的問(wèn)題；Kaimal譜雖然整體擬合較好，但是對(duì)橫向脈動(dòng)風(fēng)功率譜擬合依然存在高頻能量低估問(wèn)題.由此可見(jiàn)，對(duì)南海流花4－1油田附近海域，在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中可以考慮使用von Karman譜，但是使用基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合脈動(dòng)風(fēng)功率譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)更為準(zhǔn)確.

3 結(jié) 論

（1）實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速增加而下降.3個(gè)方向湍流強(qiáng)度在風(fēng)速大于14m／s時(shí)逐漸趨于一致.

（2）實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度比值為Iu∶Iv∶Iw＝1∶0.498 9∶0.204 4，與陸地和近海實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)有比較大的區(qū)別，在海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以特殊考慮.

（3）實(shí)測(cè)縱向、橫向和垂向湍流積分尺度平均值為291.9、234.0和79.0m，大于一般陸地測(cè)量值，縱向和橫向積分尺度差別不大.積分尺度隨平均風(fēng)速增加呈增加趨勢(shì).

（4）比較了擬合實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜和各類(lèi)型風(fēng)譜，其中von Karman譜擬合最好，其他譜均存在能量低估問(wèn)題；在實(shí)際抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)被測(cè)海域長(zhǎng)期測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得該海域?qū)崪y(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜.

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