基于粘流理論的半潛式平臺(tái)氣隙數(shù)值計(jì)算方法研究

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(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)

基于粘流理論的半潛式平臺(tái)氣隙數(shù)值計(jì)算方法研究

王志東1,陳茂僑1,凌宏杰1,戴挺2,莊麗帆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)

以工作水深為250 m的半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，基于粘流理論開展了有義波高H1/3=8.0 m，跨零周期Tz=7.23 s、7.67 s；有義波高H1/3=10.0 m，跨零周期Tz=8.08 s、9.0 s、9.7 s、10.7 s，浪向角β=0°、30°、 45°、60°、 90°，共計(jì)30個(gè)工況下半潛式平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，自編程序開發(fā)了半潛式平臺(tái)氣隙量計(jì)算的后處理軟件，研究了半潛式平臺(tái)波浪載荷作用下的氣隙變化規(guī)律。

半潛式平臺(tái)；氣隙量； 粘流理論

0 引言

目前，半潛式平臺(tái)廣泛應(yīng)用于深海油氣田的勘探開發(fā)中。半潛式平臺(tái)性能優(yōu)良、穩(wěn)定性能好、作業(yè)可靠性強(qiáng)、工作水深范圍廣、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)較惡劣的海況條件，對(duì)深水海域開發(fā)和利用有著廣泛的應(yīng)用前景。然而近幾年頻繁出現(xiàn)的超強(qiáng)颶風(fēng)以及極端惡劣的海況對(duì)平臺(tái)的安全性能造成了很大的影響，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)平臺(tái)氣隙是半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中一個(gè)極為關(guān)鍵的過程。氣隙是指波浪表面至海洋平臺(tái)下層甲板底部的垂直距離，在半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)中，如果氣隙不足會(huì)造成波浪砰擊平臺(tái)，損壞甲板和設(shè)備，影響平臺(tái)的安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程研究人員對(duì)半潛式平臺(tái)氣隙響應(yīng)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了深入地研究。Winterstein 和Sweetman[1-4]選定半潛式平臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)，分別采用WAMIT和WACYL兩款流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算表明二階波浪力對(duì)于平臺(tái)氣隙量產(chǎn)生重要影響，采用極限統(tǒng)計(jì)模型對(duì)半潛式平臺(tái)周圍的最小氣隙分布進(jìn)行了研究。David Kriebel 和Louise Wallendorf[5]選取了一個(gè)比例為1∶70的大型半潛式平臺(tái)模型(MOB)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不規(guī)則波下平臺(tái)氣隙進(jìn)行了研究。Finn Gunnar Nielsen[6]介紹了線性頻域、二階時(shí)域方法以及完全非線性時(shí)域方法，為后面采用非線性波預(yù)報(bào)極限氣隙提供了依據(jù)。Stansberg[7]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，并且采用 Flow-3D 軟件對(duì)半潛式平臺(tái)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模擬了二維甲板上浪的過程。Kazemi和Incecik[8]等利用基于加權(quán)殘值理論的直接邊界元法對(duì)半潛式平臺(tái)的氣隙性能進(jìn)行了初步預(yù)報(bào)。Bogdan[9]等利用 Comflow 軟件對(duì)平臺(tái)開展了理論研究，并通過求解 N-S 方程結(jié)合改進(jìn)的 VOF 方法來預(yù)報(bào)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。在國(guó)內(nèi)，馬巍巍、余建星、于皓[10]對(duì)平臺(tái)氣隙進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，并研究了平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)和波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)氣隙性能的影響。曾志、楊建民[11、12]等以一座250 m水深半潛式鉆井平臺(tái)為例,對(duì)其在5種海況下的氣隙響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算, 并引入了一種新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法與相應(yīng)的模型試驗(yàn)相比較。朱航[13]采用時(shí)域模擬的簡(jiǎn)單格林函數(shù)法對(duì)半潛式平臺(tái)的氣隙響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得到了平臺(tái)甲板下表面各點(diǎn)的氣隙響應(yīng)時(shí)程曲線。

該文采用粘性流體計(jì)算軟件FINE/Marine，結(jié)合自開發(fā)后處理軟件對(duì)半潛式平臺(tái)30個(gè)計(jì)算工況下的氣隙數(shù)值進(jìn)行預(yù)報(bào)，并對(duì)有義波高、浪向角以及特征周期對(duì)平臺(tái)的負(fù)氣隙量影響進(jìn)行了分析。

1 半潛式平臺(tái)模型的建立

該半潛式平臺(tái)為雙浮體、 雙橫撐、 四立柱, 對(duì)稱于中縱剖面及中橫剖面, 其工作水深 250 m。半潛式平臺(tái)的主要參數(shù)見表 1 。

表1 半潛式平臺(tái)主要參數(shù)

半潛式平臺(tái)的三維建模及網(wǎng)格劃分如圖1、圖2所示，為了提高計(jì)算精確度及準(zhǔn)確性，該文對(duì)半潛式平臺(tái)模型進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，且保證網(wǎng)格的正交性交角在80°～90°內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)占90%以上。

圖1 半潛式平臺(tái)表面網(wǎng)格分布示意圖 圖2 半潛式平臺(tái)整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格分布示意圖

2 半潛式平臺(tái)計(jì)算工況和測(cè)點(diǎn)位置

半潛式平臺(tái)工作水深為250 m，對(duì)其在6種海況(見表2)、5個(gè)浪向角(0°、30°、 45°、60°、 90°)共計(jì)30個(gè)計(jì)算工況下的半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和氣隙響應(yīng)分別進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)研究。

表2 計(jì)算海況

圖3 半潛式平臺(tái)入射波浪向角示意圖

表3 半潛式平臺(tái)懸鏈線屬性

圖4 半潛式平臺(tái)下甲板觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖5 懸鏈線的設(shè)定示意圖

為了對(duì)半潛式平臺(tái)的氣隙變化進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控，在自由面及平臺(tái)下甲板分別均勻?qū)ΨQ地選取88個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。半潛式平臺(tái)入射波浪向角示意如圖3所示，平臺(tái)下甲板觀測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)分析采用8根錨鏈線，每個(gè)立柱的拐角處分別布置2根。表3為半潛式平臺(tái)懸鏈線的屬性，圖5介紹了系泊系統(tǒng)分析中使用的坐標(biāo)系以及錨鏈線編號(hào)。

3 氣隙計(jì)算后處理軟件分析

基于MATLAB語言開發(fā)了氣隙后處理軟件，根據(jù)計(jì)算得到半潛式平臺(tái)在波浪中六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值和平臺(tái)下甲板觀測(cè)點(diǎn)的波面升高響應(yīng)值，將二者疊加求得觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)波面升高響應(yīng)值，從而得到各工況下的觀測(cè)點(diǎn)氣隙歷時(shí)曲線及觀測(cè)點(diǎn)的氣隙,用于分析半潛式平臺(tái)的波浪載荷作用下的氣隙變化規(guī)律。

圖5 后處理軟件計(jì)算下甲板觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo) 圖6 后處理軟件計(jì)算波面觀測(cè)點(diǎn)曲線

4 半潛式平臺(tái)氣隙的數(shù)值預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)氣隙量數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果繪制了有義波高H1/3=10 m，浪向角β=0°時(shí)，不同跨零周期的負(fù)氣隙云圖(如圖7所示)?？梢钥闯觯?dāng)有義波高、浪向角一定時(shí)，平臺(tái)的負(fù)氣隙量隨著波浪跨零周期的增大而增大，當(dāng)波浪譜峰周期接近平臺(tái)垂向固有周期10.6 s時(shí)，平臺(tái)發(fā)生共振現(xiàn)象，垂蕩運(yùn)動(dòng)較為劇烈，在立柱周圍和平臺(tái)四周會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)氣隙量。

圖7 不同跨零周期下(H1/3=10.0 m，β=0°)平臺(tái)的負(fù)氣隙分布云圖

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)氣隙量數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果繪制了有義波高H1/3=10 m，跨零周期Tz=9.7 s時(shí)，5個(gè)不同浪向角下的負(fù)氣隙云圖(如圖8所示)?？梢钥闯?，波浪入射方向不同不僅對(duì)于平臺(tái)負(fù)氣隙出現(xiàn)的位置有影響，還對(duì)負(fù)氣隙量的大小產(chǎn)生影響。當(dāng)浪向角為0°時(shí)，平臺(tái)出現(xiàn)最大負(fù)氣隙7.04 m，而且負(fù)氣隙均出現(xiàn)在半潛式平臺(tái)下甲板的四周邊緣位置和立柱周圍，在立柱的外角隅區(qū)域容易上浪造成危險(xiǎn)，因此需在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行局部加強(qiáng)保證平臺(tái)的安全，而平臺(tái)下甲板中間區(qū)域只會(huì)出現(xiàn)一些小面積的砰擊，一般不會(huì)出現(xiàn)負(fù)氣隙。

圖8 不同浪向角下(H1/3=10.0 m，Tz=9.7 s)平臺(tái)的負(fù)氣隙分布云圖

圖9 有義波高10 m，不同跨零周期對(duì)應(yīng)的最大負(fù)氣隙量

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)氣隙量的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果繪制了有義波高10 m時(shí)，不同浪向角下最大負(fù)氣隙量隨特征周期變化的曲線(如圖9所示)。浪向角β=0°、β=30°、β=45°、β=60°、β=90°，負(fù)氣隙量在Tz=9.7 s和Tz=8.08 s出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為7.04 m、5.65 m； 5.28 m、6.81 m； 5.71 m、4.67 m； 3.43 m、5.23 m； 4.02 m、3.83 m?？梢钥闯?，當(dāng)有義波高H1/3=10 m，浪向角一定時(shí)，隨著波浪跨零周期的增加，負(fù)氣隙量也隨著增加。當(dāng)跨零周期Tz=8.08 s(譜峰周期Tp=10.6 s)時(shí)，平臺(tái)負(fù)氣隙量會(huì)出現(xiàn)峰值，由于平臺(tái)垂向固有周期為10.6 s，此時(shí)波浪的能量集中于平臺(tái)共振區(qū)附近，導(dǎo)致平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)劇烈，出現(xiàn)了一個(gè)較大的負(fù)氣隙量。

當(dāng)有義波高8 m時(shí)，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)氣隙量數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果繪制了不同浪向角下最大負(fù)氣隙量隨著特征周期變化的曲線(如圖10、圖11所示)。當(dāng)有義波高H1/3=8 m，浪向角β=0°、β=30°、β=45°、β=60°、β=90°時(shí)，負(fù)氣隙量在Tz=7.23 s和Tz=7.67 s分別為2.71 m、3.2 m； 3.14 m、4.02 m； 2.74 m、3.23 m； 1.74 m、2.45 m； 0.70 m、1.32 m。有義波高H1/3=8 m時(shí)，波浪產(chǎn)生的負(fù)氣隙量值相比于有義波高H1/3=10 m波浪產(chǎn)生的負(fù)氣隙值明顯要小很多，甚至在有些浪向角沒有負(fù)氣隙，說明有義波高的大小對(duì)平臺(tái)負(fù)氣隙量的影響極大。

圖10 有義波高8 m，跨零周期 Tz=7.23 s對(duì)應(yīng)的最大負(fù)氣隙量 圖11 有義波高8 m，跨零周期 Tz=7.67 s對(duì)應(yīng)的最大負(fù)氣隙量

5 結(jié)論

基于粘性理論對(duì)半潛式平臺(tái)氣隙響應(yīng)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究，定量分析了半潛式平臺(tái)不同浪向角、特征周期及有義波高對(duì)平臺(tái)氣隙量的影響，得出了如下幾條結(jié)論：

(1)有義波高10 m時(shí)平臺(tái)負(fù)氣隙量比有義波高為8 m時(shí)大，負(fù)氣隙量隨有義波高的增加而增加。

(2)當(dāng)有義波高、跨零周期一定時(shí)，波浪入射方向不僅對(duì)平臺(tái)負(fù)氣隙出現(xiàn)的位置有影響，還會(huì)對(duì)負(fù)氣隙量的大小產(chǎn)生一定影響。浪向角為0°時(shí)，平臺(tái)有最大負(fù)氣隙量7.04 m。

(3)當(dāng)有義波高、浪向角一定時(shí)，平臺(tái)的負(fù)氣隙量隨著波浪跨零周期的增大而增大，但當(dāng)波浪譜峰周期接近平臺(tái)垂向固有周期10.6 s時(shí)，平臺(tái)發(fā)生共振現(xiàn)象，垂蕩運(yùn)動(dòng)較為劇烈，產(chǎn)生較大的負(fù)氣隙量，有義波高為H1/3=10 m引起的最大負(fù)氣隙量為6.81 m，有義波高為H1/3=8 m引起的最大負(fù)氣隙量為4.02 m。

(4)平臺(tái)下甲板的邊緣處較于間區(qū)域更容易出現(xiàn)負(fù)氣隙，只有在有義波高為10 m，跨零周期為10.7 s，甲板出現(xiàn)入水的情況下，下甲板中間區(qū)域才會(huì)出現(xiàn)較大負(fù)氣隙量，而且在立柱的外角隅區(qū)域容易上浪造成危險(xiǎn)，需在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行局部加強(qiáng)保證平臺(tái)的安全。

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TheNumericalCalculatingStudyonAirGapoftheSemi-submersiblePlatformBaseonViscousFlowTheory

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

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

The research object of this paper is a semi-submersible platform with the depth of 250 meters, the numerical calculation to the six freedom responses of the submersible platform based on viscous flow theory in total 29 conditions, including significant wave height is 8m, wave period is respectively 7.23s、7.67s, and significant wave height is 10m,wave period is respectively 8.08s、9.0s、9.7s、10.7s.Each sea state has 5 wave angles, respectively 0 °, 30 °, 45 °, 60 °, 90 °. Self-programme the post-processing software of the submersible platform which can calculate the air-gap, and study the variation of the air gap under the wave loads of semi-submersible platform.

semi-submersible platform； air gap； viscous flow theory

2014-07-25

王志東(1967-)，男，教授。

1001-4500(2015)01-0035-07

P75

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