導(dǎo)管架平臺(tái)隔水套管區(qū)域流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

導(dǎo)管架平臺(tái)隔水套管區(qū)域流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

董坤

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司工程建設(shè)中心，天津 300452)

摘要：考慮到局部流場(chǎng)是控制和決定流冰在隔水套管區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)形態(tài)的關(guān)鍵因素，使用FLUENT軟件,對(duì)渤海淺水重冰區(qū)某導(dǎo)管架平臺(tái)的隔水套管區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)可能發(fā)生碎冰滯留的區(qū)域分布比例，并根據(jù)不同入流方向進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，隔水套管區(qū)內(nèi)局部流場(chǎng)的滯留效應(yīng)是導(dǎo)致碎冰堆積的主要誘因。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺(tái)；碎冰堆積；流場(chǎng)；數(shù)值模擬

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.011

中圖分類號(hào)：U661.1;P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0036-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一董坤 (1981-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:Local flow field is the key factor affecting the motion patterns of the drift ice in the region of the drill conductor. The FLUENT software is used in to simulate flow field of the region of conductor of a jacket platform in the shallow area with heavy ice in Bohai sea. The distribution of possible regions of rubble ice retention is counted, and the results are evaluated according to different inflow directions. The numerical results show that the local flow field in conductor area of the retardation effect is the main causes to lead to accumulation of crushed ice.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程設(shè)計(jì)、建造和工程項(xiàng)目管理

E-mail:dongkun@cnooc.com.cn

我國(guó)冬季有冰海域的導(dǎo)管架平臺(tái)隔水套管區(qū)極易發(fā)生碎冰堆積現(xiàn)象[1]，見圖1。這樣的碎冰堆積規(guī)模通常將引發(fā)的一系列棘手的工程問題。

圖1　渤海遼東灣平臺(tái)冰堆積

導(dǎo)致冰災(zāi)害的誘因有多種，其中導(dǎo)管架平臺(tái)隔水套管區(qū)的滯留效應(yīng)是最重要的誘因之一[2]。究其根源，這主要是因?yàn)橥獠苛鲌?chǎng)經(jīng)過導(dǎo)管架平臺(tái)隔水套管區(qū)時(shí)將發(fā)生繞流，產(chǎn)生漩渦，致使流速降低，從而碎冰不能隨著海流被及時(shí)清除。因此，關(guān)于淺水重冰區(qū)導(dǎo)管架平臺(tái)碎冰堆積進(jìn)程的研究，首先從分析關(guān)鍵性誘因產(chǎn)生規(guī)律入手。本文采用FLUENT軟件模擬該區(qū)域的流場(chǎng)，通過分析局部流場(chǎng)變化情況，形成對(duì)碎冰滯留-堆積進(jìn)程的預(yù)判。

1數(shù)學(xué)模型與計(jì)算模型

1.1控制方程

流體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。這些定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)就是相應(yīng)的連續(xù)性方程和N-S方程[3-6]。

按照質(zhì)量守恒定律，流入的質(zhì)量與流出的質(zhì)量之差，應(yīng)該等于控制體內(nèi)部流體質(zhì)量的增量，由此可導(dǎo)出流體連續(xù)性方程的積分形式為

(1)

式中：Vol——控制體；

A——控制面。

對(duì)于不可壓縮均質(zhì)流體，質(zhì)量密度為常數(shù)，在直角坐標(biāo)系下可將其簡(jiǎn)化為如下微分形式。

(2)

數(shù)值模擬計(jì)算中將主要采用二維數(shù)值模擬，因此連續(xù)性方程為

(3)

對(duì)海洋工程流體問題而言，流體的質(zhì)量密度和黏性系數(shù)都是常數(shù)，此時(shí)的N-S方程矢量形式為：

(4)

若不考慮流體的黏性，則由上式可得理想流體的運(yùn)動(dòng)方程Euler方程如下。

(5)

模擬采用湍流模型。雷諾平均N-S方程是流場(chǎng)平均變量的控制方程，其相關(guān)的模擬理論被稱為湍流模式理論[7]。湍流模式理論假定湍流中的流場(chǎng)變量由一個(gè)時(shí)均量和一個(gè)脈動(dòng)量組成，以此觀點(diǎn)處理N-S方程可以得出雷諾平均N-S方程。再引入Boussinesq假設(shè)，即認(rèn)為湍流雷諾應(yīng)力與應(yīng)變成正比之后，湍流計(jì)算就歸結(jié)為對(duì)雷諾應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例系數(shù)(即湍流黏性系數(shù))的計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和比較高的計(jì)算精度標(biāo)準(zhǔn)。k-ε模型通過求解湍流動(dòng)能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程得到k和ε的解，然后再利用k和ε的值計(jì)算湍流粘度，最終通過Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力的解。RNGk-ε模型在形式上類似于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，但是在計(jì)算功能上強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其改進(jìn)措施主要有：在ε方程中增加一個(gè)附加項(xiàng)，使得在計(jì)算速度梯度較大的流場(chǎng)時(shí)精度更高；模型中考慮了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)計(jì)算精度也得到提高；模型中包含了計(jì)算湍流Prandtl數(shù)的解析公式，而不像標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型僅用常數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一個(gè)高雷諾數(shù)模型，而RNGk-ε模型在對(duì)近壁區(qū)進(jìn)行適當(dāng)處理后可以計(jì)算低雷諾數(shù)效應(yīng)。在本文的模擬中采用RNGk-ε模型。

1.2計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際平臺(tái)隔水套管區(qū)在Gambit中建立幾何模型，為消除邊界對(duì)于流場(chǎng)內(nèi)部的影響，建模中設(shè)計(jì)的計(jì)算域?yàn)槠脚_(tái)區(qū)域橫向和縱向的各3倍左右。劃分網(wǎng)格時(shí)按照關(guān)心區(qū)域細(xì)化，其他區(qū)域略粗化的原則進(jìn)行[8]。平臺(tái)區(qū)域流場(chǎng)的計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　CEPD平臺(tái)區(qū)域流場(chǎng)數(shù)值分析模型

2數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

海冰從不同方向(冰攻角)通過平臺(tái)時(shí)，也將產(chǎn)生不同的碎冰堆積效應(yīng)。由于海上冰排是匯集了水流和風(fēng)的能量而發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)的，因此，在數(shù)值模擬中將同時(shí)關(guān)注主風(fēng)向和主流向。根據(jù)本文目標(biāo)平臺(tái)所處海域的主風(fēng)向SSW和NNE，主流向NE-SW，結(jié)合平臺(tái)布置方向，在數(shù)值計(jì)算中設(shè)置5種冰攻角作用條件。冰攻角0°和180°對(duì)應(yīng)主流向；冰攻角22.5°和-157.5°對(duì)應(yīng)主風(fēng)向；同時(shí)考慮一種風(fēng)和海流綜合作用下可能產(chǎn)生最大規(guī)模碎冰堆積規(guī)模的冰攻角，即-90°冰攻角。入流速度采用錦州灣9-3區(qū)平均流速0.4 m/s。

計(jì)算得到各入流方向下的流速分布見圖3～7。

圖3　0°來流方向下平臺(tái)整體流場(chǎng)云圖

圖4　22.5°來流方向下平臺(tái)整體流場(chǎng)云圖

圖5　180°來流方向下平臺(tái)整體流場(chǎng)云圖

圖6　-90°來流方向下平臺(tái)整體流場(chǎng)云圖

圖7　-157.5°來流方向平臺(tái)整體流場(chǎng)云圖

觀察各流向的云圖可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于5種不同流向，流場(chǎng)在整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的阻流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一定程度的滯流效應(yīng)，尤其是在隔水套管陣列區(qū)域內(nèi)部，滯流效應(yīng)更加突出。所有導(dǎo)管的后側(cè)流速均低于0.05 m/s。同時(shí)，由于流體繞過迎流破冰錐體后發(fā)生漩渦的泄放，因此，在沿流向后側(cè)的兩個(gè)破冰錐體與前側(cè)破冰錐體間的區(qū)域，也存在一定程度的滯流效應(yīng)。在上述這些區(qū)域內(nèi)碎冰將無法順流通過，進(jìn)而發(fā)生滯留-堆積。

由于破冰錐體與井口區(qū)在不同流向情況下的相對(duì)位置不同，進(jìn)而導(dǎo)致局部流場(chǎng)的滯流效應(yīng)存在差別。因此，要對(duì)各流向情況下的局部流場(chǎng)滯流效應(yīng)進(jìn)行量化比較，引入漂浮冰塊的臨界啟動(dòng)速度概念。

由于漂移冰塊體的運(yùn)動(dòng)主要受下部水流動(dòng)力控制，因此，在分析研究漂浮冰塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，常根據(jù)無量綱參數(shù)弗汝德數(shù)對(duì)冰塊的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行判別。弗勞德數(shù)Fr的表達(dá)式如下[9]。

(6)

式中：v——碎冰塊漂移速度；

g——重力加速度；

L——流場(chǎng)平均水深。

當(dāng)Fr數(shù)小于0.03時(shí)，則漂移冰塊在遭遇阻礙時(shí)將會(huì)發(fā)生滯留，難以啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)這一臨界Fr數(shù)值，對(duì)該平臺(tái)覆蓋區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析判別。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文資料可知，該平臺(tái)所處海域的平均水深為8.9 m。由此計(jì)算出CEPD平臺(tái)覆蓋區(qū)域內(nèi)碎冰塊發(fā)生滯留的臨界流速：vs=0.28 m/s。

提取井口區(qū)各計(jì)算點(diǎn)的流場(chǎng)速度值，整理得到該平臺(tái)覆蓋區(qū)域在5種整體流場(chǎng)行進(jìn)方向下的速度分布統(tǒng)計(jì)情況，平臺(tái)在5種來流方向下的滯留區(qū)域比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　平臺(tái)在五種來流方向下的滯留區(qū)域比例

相比較而言，0°入流時(shí)流場(chǎng)出現(xiàn)顯著滯流效應(yīng)的區(qū)域最大，這是由于迎流向的破冰錐與隔水套管陣列區(qū)距離過近，更易于發(fā)生碎冰塊的滯留。整體計(jì)算結(jié)果表明，迎流破冰錐體與隔水套管陣列區(qū)距離較近時(shí)發(fā)生碎冰塊滯留的區(qū)域面積，相對(duì)于距離較遠(yuǎn)時(shí)更大。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，-157.5°滯流效應(yīng)要弱于其他流向，低于臨界下潛速度0.28 m/s的速度滯留率為29.4%。而0°入流情況則為42.3%，22.5°、-180°及-90°分別為38.8%、39.0%及37.1%。

3結(jié)論

隔水套管區(qū)內(nèi)局部流場(chǎng)的滯留效應(yīng)隨入流方向發(fā)生變化，當(dāng)隔水套管區(qū)首先迎流時(shí)，局部流場(chǎng)的滯留效應(yīng)最為顯著。

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Numerical Simulation and Analysis of the Flow Field

in the Jacket Platform Conductor Area

DONG Kun

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: jacket platform; rubble ice pile-up; flow field; numerical simulation