浮式平臺(tái)立柱截面倒角半徑對(duì)流力的影響

徐善輝,杜慶貴,尹寶瑞,莊宏昌,王程臨

[1. 海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520；2. 中海油研究總院，北京 100028]

浮式平臺(tái)立柱截面倒角半徑對(duì)流力的影響

徐善輝1,杜慶貴2,尹寶瑞1,莊宏昌1,王程臨1

[1. 海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520；2. 中海油研究總院，北京 100028]

浮式平臺(tái)是深海油氣資源開(kāi)發(fā)的重要裝備。在浮式平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中，流力對(duì)平臺(tái)的定位有直接影響，是平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。當(dāng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案確定后，立柱的主尺度將不能改變，其流力將取決于截面倒角。采用FLUENT軟件對(duì)不同截面倒角立柱的流力進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，立柱倒角對(duì)拖航阻力有明顯影響，當(dāng)立柱截面倒角大于2 m時(shí)，流力可減少50%以上。研究結(jié)果可為浮式平臺(tái)船型設(shè)計(jì)提供參考。

浮式平臺(tái)；立柱；流力；FLUENT軟件

0 引 言

浮式海洋平臺(tái)是海洋油氣開(kāi)發(fā)的重要裝備。常見(jiàn)的浮式平臺(tái)包括鉆井作業(yè)類(lèi)平臺(tái)和生產(chǎn)服務(wù)類(lèi)平臺(tái)，前者包括半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井船、半潛式修井平臺(tái)等，后者包括半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、張力腿平臺(tái)(TLP)、單立柱平臺(tái)(SPAR)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)等。半潛式鉆井平臺(tái)、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)和TLP在上述裝備中占比較大。這些平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)主要可以分為三大部分：浮箱、立柱和上部模塊。在作業(yè)工況下，浮箱和部分立柱浸沒(méi)在水中，由于海流的作用，此部分會(huì)產(chǎn)生較大的流力。

以半潛式鉆井平臺(tái)為例[1]。在生存工況迎流時(shí)，立柱的流力貢獻(xiàn)占總流力的1/3以上；在作業(yè)工況迎流時(shí)，立柱的流力貢獻(xiàn)約占總流力的40%。由此，對(duì)平臺(tái)立柱進(jìn)行流力優(yōu)化可降低在位工況下的流力。立柱的主尺度(長(zhǎng)、寬)和截面形狀對(duì)立柱的阻力都構(gòu)成重要影響。但是，平臺(tái)設(shè)計(jì)方案確定后，立柱的主尺度將不能隨意改變，因此，流力優(yōu)化研究可以重點(diǎn)關(guān)注立柱的橫截面形狀。

常見(jiàn)浮式平臺(tái)立柱的截面形式有兩種：圓形，如Sovereign Explorer號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)和Brutus TLP；正方形導(dǎo)圓角形，如HYSY981半潛式鉆井平臺(tái)和Blind Faith半潛式生產(chǎn)平臺(tái)。不同截面的關(guān)鍵區(qū)別在于截面倒角的大小。

本文采用FLUENT軟件對(duì)某浮式平臺(tái)的立柱取不同截面倒角計(jì)算其流力值[2-3]，以期獲得立柱截面倒角半徑對(duì)立柱流力的影響規(guī)律，并獲得立柱截面倒角半徑的最佳取值范圍。

1 基本公式及理論

研究采用FLUENT軟件k-ε二維湍流模型求解半潛式鉆井平臺(tái)立柱截面繞流問(wèn)題。壓力速度的耦合方式采用PSIO算法，壓力插值選擇體積力加權(quán)積分，時(shí)間項(xiàng)采用二階全隱式積分[4]。

結(jié)構(gòu)流力與其幾何形狀、航速、水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)、水的質(zhì)量密度和重力加速度等相關(guān)，因此必須探討力與這些物理量的函數(shù)關(guān)系。引入無(wú)量綱數(shù)雷諾數(shù)Re對(duì)立柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行界定。

雷諾數(shù)表達(dá)公式為

,

(1)

式中：V為流場(chǎng)特征速度；L為特征長(zhǎng)度；υ為流體的動(dòng)力黏度。

計(jì)算時(shí)，可以得到兩個(gè)力：沿流向的流阻力(拖曳力)Fd和垂直于流場(chǎng)的橫向力Fl。為了便于比較，本文對(duì)流力系數(shù)和橫向力系數(shù)進(jìn)行研究。研究時(shí)，分析拖曳力系數(shù)Cd的大小和橫向力系數(shù)Cl幅值大小隨截面倒角半徑的變化規(guī)律。拖曳力系數(shù)和橫向力系數(shù)的表達(dá)式如下：

(2)

,

(3)

式中：Fd為作用于結(jié)構(gòu)上的拖曳力；Fl為作用于柱體上的橫向力；ρ為流場(chǎng)流體中密度；v為流場(chǎng)速度；S為結(jié)構(gòu)的側(cè)面積，S=lc·L(lc為結(jié)構(gòu)截面周長(zhǎng)，L為結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度)。本文計(jì)算得到的流力皆為單位長(zhǎng)度的力(L=1 m)。

2 水動(dòng)力模型

參考某半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖紙建立流域模型。

流域長(zhǎng)1 200 m，寬500 m，立柱截面中心離入口300 m，立柱截面尺寸17.4 m×17.4 m，截面倒角半徑R=0,1,…,8,8.7 m。流域及邊界模型如圖1所示。海水密度為ρ=1 003.25 kg/m3，水流速度為v=2 m/s。

邊界條件設(shè)定如下。

左邊界面(velocity_ inlet)：速度入口邊界條件，速度為 的流體從此邊界均勻流入。

右邊界面(outflow)：自由出流邊界條件，流體從此邊界自由流出。

上邊界面(top)：對(duì)稱(chēng)邊界條件，此邊界上垂直流向分量為零。

下邊界面(bottom)：對(duì)稱(chēng)邊界條件，此邊界上垂直流向分量為零。

立柱輪廓線(pontoon)：壁面邊界條件，流體從壁面無(wú)滑移繞過(guò)。

圖1 流域計(jì)算模型Fig.1 Model of the fluid domain

劃分網(wǎng)格時(shí)采用總體流域網(wǎng)格局部加密技術(shù)，取坐標(biāo)原點(diǎn)為中心120 m×120 m區(qū)域劃分三角形網(wǎng)格，該區(qū)域外全采用四邊形網(wǎng)格。流域網(wǎng)格圖及立柱局部網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 流域網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of the fluid domain

建立模型時(shí)，在截面附近區(qū)域，網(wǎng)格總數(shù)和形狀盡量保持一致以提高對(duì)比精度。不同倒角半徑時(shí)立柱模型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同倒角半徑時(shí)立柱截面模型的網(wǎng)格數(shù)及截面周長(zhǎng)

時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s，計(jì)算穩(wěn)定后調(diào)大至0.02 s。

3 計(jì)算結(jié)果

在t=500 s時(shí)，幾個(gè)典型倒角半徑下的渦量場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布云圖如圖3～5所示。

不同倒角半徑時(shí)拖曳力系數(shù)和拖曳力如表2所示。表中拖曳力結(jié)果根據(jù)表1中截面周長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的拖曳力系數(shù)由式(2)計(jì)算而得。

不同倒角時(shí)橫向力系數(shù)和橫向力幅如表3所示。表中橫向力幅值結(jié)果根據(jù)表1中截面周長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的橫向力系數(shù)由式(3)計(jì)算而得。

不同倒角半徑時(shí)，立柱的泄渦周期如表4所示。

圖3 倒角半徑1 m時(shí)渦量場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布云圖Fig.3 Contour of vortex and pressure around the column with a fillet radius of 1 m

圖4 倒角半徑5 m時(shí)渦量場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布云圖Fig.4 Contour of vortex and pressure around the column with a fillet radius of 5 m

圖5 倒角半徑8.7 m時(shí)渦量場(chǎng)分布圖和壓力場(chǎng)分布云圖Fig.5 Contour of vortex and pressure around the column with a fillet radius of 8.7 m

截面倒角半徑/m01234流阻力系數(shù)Cd0.640.480.360.300.27流阻力/(N·m-1)89377.564695.647922.838531.133601.3截面倒角半徑(m)56788.7流阻力系數(shù)Cd0.230.140.120.120.13流阻力/(N·m-1)28151.216176.613512.813109.014225.5

表3 不同倒角半徑時(shí)的橫向力及橫向力系數(shù)

表4 不同倒角半徑時(shí)的泄渦周期

4 結(jié)果分析

立柱繞流屬于典型的鈍體繞流，立柱的拖曳力和橫向力與雷諾數(shù)密切相關(guān)。由式(1)可得，計(jì)算工況下雷諾數(shù)大于107，屬于過(guò)臨界區(qū)[5-6]。對(duì)于均勻來(lái)流，立柱截面下游會(huì)有渦泄出，并且渦的泄放呈現(xiàn)很強(qiáng)的周期性，橫向力變化非常劇烈。

由圖3～5可以看出，對(duì)于不同的倒角立柱，下游皆有均勻渦泄放，這與理論是一致的，并且不同倒角時(shí)，壓力場(chǎng)和渦量場(chǎng)分布有一定的區(qū)別：倒角半徑越大，渦量場(chǎng)和速度場(chǎng)變化越柔和。

由表2數(shù)據(jù)可得拖曳力及拖曳力系數(shù)隨倒角變化曲線，如圖6所示。

圖6 拖曳力及拖曳力系數(shù)隨倒角半徑變化曲線Fig.6 Curves of the drag force and frag force coefficient versus fillet radius

由圖6可以看出，倒角半徑越大，立柱的拖曳力Fd越小，特別是R<3 m時(shí)，隨著倒角半徑變小，F(xiàn)d急劇下降；當(dāng)R>6 m時(shí)，隨著倒角半徑的變化，F(xiàn)d變化非常緩慢。因此立柱截面倒角半徑取在R>3 m便可大幅減小流阻力，此時(shí)Fd比方形立柱對(duì)應(yīng)值小60%以上，并且在3 m6 m后，拖曳力變化不明顯。

由表3數(shù)據(jù)可得橫向力幅值及橫向力系數(shù)隨倒角半徑變化曲線，如圖7所示。分析可得，在倒角半徑R<2 m時(shí)，橫向力幅值Fl隨倒角半徑變化非常劇烈，特別是R=1 m時(shí)，出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，這是由于不做倒角時(shí)壁面尖銳，渦的生成和泄放比較劇烈，做倒角后壁面廣順，壁面流特性顯著變化；在倒角半徑2 m6 m后，橫向力幅值隨倒角半徑變大的變化不明顯。橫向力對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的影響，基于此考慮，建議立柱倒角半徑取R>6 m。

圖7 橫向力幅值及橫向力系數(shù)隨倒角半徑變化曲線Fig.7 Curves of the lateral force and lateral force coefficient versus fillet radius

由表4數(shù)據(jù)可得泄渦周期隨倒角半徑變化曲線，如圖8所示。

圖8 泄渦周期隨倒角變化曲線Fig.8 Curve of the shed vortex period versus fillet radius

在倒角半徑R<4 m時(shí)，泄渦周期較大，隨著倒角半徑變大，泄渦周期變化不大；在倒角半徑4 m7 m時(shí)，泄渦周期較小，泄渦周期變化比較平緩，容易與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)結(jié)構(gòu)的固有頻率，以免形成共振，加速結(jié)構(gòu)破壞[7]，建議倒角半徑R<4 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

立柱截面倒角半徑的選取需要考慮多種因素，要綜合流力大小、泄渦周期、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造可實(shí)現(xiàn)性等多重因素的影響。從立柱的流力和泄渦周期角度考慮，給出以下兩點(diǎn)建議：方形截面立柱截面倒角半徑越大，流力越小，但是到達(dá)一定程度后流力變化平緩；立柱倒角半徑建議取值范圍為2 m

[1] 杜慶貴, 馮瑋, 晏紹枝, 等. 半潛式鉆井平臺(tái)拖航阻力數(shù)值分析[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2012, 41(9): 23.

[2] 杜慶貴, 馮瑋, 晏紹枝, 等. 深水半潛式鉆井平臺(tái)橫撐間距對(duì)拖航阻力的影響分析[J]. 中國(guó)海上油氣, 2012, 24(4) : 71.

[3] 杜慶貴, 馮瑋, 粟京, 等. 半潛式鉆井平臺(tái)橫撐截面形狀的優(yōu)化[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012, 34(9) : 84.

[4] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 121-122.

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StudyontheCurrentForceontheColumnswithDifferentFilletRadiiofaFloatingPlatform

XU Shan-hui1, DU Qing-gui2, YIN Bao-rui1, ZHUANG Hong-chang1, WANG Cheng-lin1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266520, China;2.CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Floating platform plays an important role in the development of deepwater oil resources. The current force acting on the floating platform is usually considered to be a critical factor for platform design. Once the design plan is finalized, the principal dimension of the column is fixed, and the current force will be mainly affected by the cross sections. The FLUENT software is used here to compute the force of the columns with cross sections of different fillet radii in a uniform viscous flow. According to the computation, the current force of the column with a fillet radius more than 2 m will be reduced by more than 50%. The research results may provide good reference to the design of a new platform.

floating platform; column; current force; FLUENT software

2016-02-25

徐善輝(1985—)，男，本科，工程師，主要從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與建造方面的研究。

P751

A

2095-7297(2016)02-0111-05