梯度風作用下HYSY-981半潛式平臺風載荷與表面風壓分布研究＊

朱 航馬 哲謝 彬翟剛軍歐進萍,

(1.哈爾濱工業大學土木工程學院; 2.大連理工大學土木水利學院; 3.中海油研究總院)

梯度風作用下HYSY-981半潛式平臺風載荷與表面風壓分布研究＊

朱 航1馬 哲2謝 彬3翟剛軍3歐進萍1,2

(1.哈爾濱工業大學土木工程學院; 2.大連理工大學土木水利學院; 3.中海油研究總院)

針對我國最新建造的HYSY-981半潛式平臺,分別采用風洞實驗和數值模擬方法研究了穩態梯度風下0～90°風向角工況時平臺整體風載荷與表面風壓分布規律。平臺的風洞實驗包括測壓與測力實驗。通過測壓實驗得到了平臺表面的風壓分布和各構件的形狀系數,并由此得到了平臺的整體風載荷;通過測力實驗得到了平臺在無偏轉和偏轉10°時的整體風載荷,并通過實驗結果的對比研究了平臺偏轉及井架孔隙對平臺整體風載荷的影響。平臺風載荷的數值模擬結果與風洞實驗結果基本吻合。

HYSY-981半潛式平臺 風載荷 表面風壓分布 風洞實驗 數值模擬

目前國內外研究海洋平臺風載荷的方法主要有現場觀測、數值模似和風洞實驗等3種,由于現場觀測較為困難,數值模擬與風洞實驗便成為研究者確定海洋結構風載荷的主要方法[1-2]。與數值模擬方法計算風載荷相比,風洞實驗方法所測結果更為精確,但由于風洞實驗方法更耗時耗資,因此關于海洋結構風洞實驗的文獻較少。Lee TS[3]通過風洞實驗測量了比尺為1:218的海洋平臺模型上的風載荷,其中模型上布置了141個壓力傳感器,實驗風速用熱線風速儀測量而得;Chen Q[4-5]通過風洞實驗測量了海洋平臺直升機甲板模型表面的風壓分布。根據我國最新建造的 HYSY-981半潛式平臺,制作了1:100的有機玻璃模型和1:150的金屬模型,分別進行了測壓實驗與測力實驗。通過測壓實驗,得到了平臺各構件在不同風向角情況下的形狀系數和風壓分布規律;通過測力實驗,研究了井架孔隙和平臺偏轉對平臺整體風載荷的影響,研究結果可為平臺設計提供參考。

1 HYSY-981半潛式平臺簡介

圖1 HYSY-981半潛式平臺模型

HYSY-981半潛式平臺為第六代深水半潛式鉆井平臺,其結構如圖1所示。平臺采用DPS-3動力定位,作業水深3 000m,具有智能化鉆井功能。平臺主體部分可分為立柱、甲板和井架3部分,甲板為長、寬、高分別為74.42、74.42、8.62m的箱體,關于x軸和y軸均為對稱;立柱長寬均為17.385m,不考慮平臺傾角時立柱水面上高度為14m,計算時不考慮立柱間的遮蔽效應,計入立柱全部的投影面積;井架可分為上部與下部,下部為長、寬、高分別為17、17、42m的長方體,上部為高22m的尖劈。

2 HYSY-981半潛式平臺風洞實驗

2.1 模型制備與實驗準備

平臺風洞實驗包括測壓實驗與測力實驗兩部分。圖2和圖3分別是測壓實驗和測力實驗的平臺模型。表1為平臺模型測壓實驗和測力實驗相關信息。

表1 平臺模型測壓實驗和測力實驗相關信息

測壓實驗的模型具有足夠的強度和剛度,在實驗風速下不會發生變形,也不會出現明顯的振動現象,可以保證壓力測量的精度。考慮到實際建筑物的大小和周邊環境,并為了保證實驗風場的通暢,模型的幾何比尺為1:100。測力實驗的模型可承受較高風速,在實驗允許的范圍內可真實模擬海上風場情況,模型的幾何比尺為1:150。

2.2 風洞實驗

2.2.1 風速與風向設置

在實驗段入口處,設置渦流發生器(三角形尖劈)、粗糙元塊等裝置,均勻流經過以上裝置后渦流損失將隨高度變化,由此實現流速隨高度變化;調整上述裝置的尺寸及相對距離,使模型區達到需要的風剖面,由于實驗設定平臺處于自存工況,風速剖面指數調整為1/10;設定整體坐標系中風向為 x軸正方向,風洞下壁面平面內垂直于 x軸方向為y軸方向,垂直于風洞下壁面向上為z軸方向,坐標系原點為平臺底面形心。

2.2.2 實驗結果的獲取

實驗時,平臺置于轉盤之上。風向角的定義如圖4所示:當風向正對平臺的船首方向時,風向角定義為0°,其余各工況的風向角變化間隔為15°,按順時針方向遞增。

圖4 實驗模型方位及風向角示意圖

(1)測壓實驗結果 在模擬湍流度的風場中,用電子掃描閥及數據采集系統記錄一個時段內的各測點壓力時程并對壓力時程進行統計分析,從而得出風壓系數、點體型系數、分塊體型系數及不同重現期壓力的平均值、最小值、最大值以及均方根值。由相似原理可知,模型的無量綱參數與實物的無量綱參數一致,因此模型上各測點的風壓系數即為實物對應點的風壓系數。

(2)測力實驗結果 在模擬均勻流的風場中,用六分量測力天平直接測得實驗風速下每個工況時平臺六個維度的風載荷及風傾力矩,然后通過比尺關系,換算得到實物的風載荷及風傾力矩。

3 平臺風載荷的數值模擬

利用Fluent軟件進行模擬計算,對數值模型及計算原理說明如下。

3.1 數值模型

數值模型與實際平臺略有差別:略去了實物中的細小結構,以及對氣動力與水動力影響不大的構件;甲板簡化為規則箱體,忽略上面細部結構與設備的影響。為研究井架孔隙對平臺風載荷的影響,井架的數值模型分為不鏤空模型與鏤空模型(圖5)2種。

圖5 平臺的數值模型

3.2 控制方程與湍流模型

由于平臺各局部構件均為鈍體,鈍體繞流問題的控制方程為粘性不可壓N-S方程,基于雷諾平均的控制方程[6]可寫為

式(1)和(2)中:i、j=1,2,3;空氣密度ρ=1.225 kg/m3;動力粘性系數μ=1.789 4×10-5kg/(m·s)。

計算中湍流模型采用剪切應力運輸模型,即sst k-ω湍流模型。該模型是Menter對Wilcox提出的簡單k-ω湍流模型的改進,綜合了 k-ω模型在近壁區計算和在遠場計算的優點。

sstk-ω模型[7]可寫為

式(3)和(4)中:k為湍流動能;ω為湍流耗散率;G～k為由平均速度梯度所產生的 k;Gω為產生的ω;Γk、Γω分別為k和ω的有效擴散率項;Yk、Yω分別為 k和ω的耗散項;Sk和 Sw均為用戶自定義的源項; Dω為橫向耗散導數項。式中各項的具體計算公式參照文獻[8]。

風載荷的計算采用三維穩態隱式解法,離散方法為二階迎風格式,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。定義來流風方向為 x正向,計算域尺度長、寬、高分別為2 000、800、500m,建筑物置于流域沿流向前1/3處。

3.3 邊界條件的設定

平臺風載荷數值計算中邊界條件設定如下。(1)進流面設定為速度入口邊界條件,風速大小沿高度的分布函數為

式(5)中:h為平臺某處距海平面的高度;vh為距海平面高度為 h處的風速,v10為距海平面10m高度處的風速;

(2)出流面設定為壓力出口邊界條件;

(3)流域頂部和兩側設定為對稱邊界條件,等價于自由滑移的界面;

(4)建筑物表面和地面設定為無滑移壁面條件。

4 實驗數據處理與分析

4.1 平臺各構件的形狀系數及風載荷

圖6示出了實驗測得的0～90°風向角情況下平臺甲板、立柱和井架等3個局部構件的形狀系數。由于不同風向角情況下各局部構件所對應的迎風面橫截面積不同,平臺各局部構件的形狀系數隨風向角的變化呈現不規則變化。當風向角為0°時,井架的頂部與底部、甲板的形狀系數達到最大,其值分別為1.334、1.546和1.218;當風向角為60°時,立柱的形狀系數達到最大,其值為1.134。而文獻[9]上規定的形狀系數未考慮風向角的影響,對井架、甲板和立柱的形狀系數規定的取值分別為1.25、1.10和1.00。對比可知,實驗所得的各構件的形狀系數更為真實,且其最大值比理論規定值偏大。

圖6 不同風向角情況下平臺各構件的形狀系數

圖7所示為百年重現期南海熱帶颶風海況下平臺在0～90°風向角時各局部構件的風載荷極值,此時距海平面10m高處1min平均風速值為55m/s。

圖7 不同風向角情況下平臺各構件風載荷極值

圖7的計算結果表明,平臺各局部構件的風載荷隨風向角的變化呈現著相同的變化規律,當風向角為45°時,平臺各局部構件的風載荷均達到最大值。

4.2 井架表面風壓分布研究

井架上高度為h的點,其風壓力系數Cph的計算公式[10]為

式(6)中:ρ為空氣的密度;p為該點的風壓;vh定義同前。

為研究梯度風對井架表面各點的風壓,本文采用相對風壓力系數概念,定義相對風壓力系數 Cp10的計算公式為

式(7)中:ρ、p、v10等參數定義同前。

限于篇幅,本文只取 0°風向角情況進行分析。圖8示出了井架迎風面上相對風壓力系數平均值的數值模擬結果(圖8a)與實驗測量結果(圖8b);由于測點較密集,其測值無法全部在圖中列出,僅列出了部分點的測量結果。對比圖8a和圖8b可知,數值模擬結果與實驗結果有著相同的趨勢:迎風面上相對風壓力系數平均值基本為正值;在迎風面的中心區域及底部區域,相對風壓力系數平均值較大,且這兩個區域平均風壓力系數的數值模擬結果與實驗結果基本相同,均為1.40左右;以這兩個區域為中心,相對風壓力系數平均值向四周遞減,邊緣處風壓力系數平均值接近于0。

圖8 井架迎風面上相對風壓力系數平均值模擬結果(a)與實驗結果(b)的比較

4.3 井架孔隙對平臺整體風載荷實驗結果的影響

圖9示出了0～90°風向角工況下,考慮井架孔隙和不考慮井架孔隙兩種平臺模型整體風載荷的數值模擬結果和風洞實驗結果。從圖9可以看出,不論是實驗結果還是數值模擬結果,不考慮井架孔隙的風載荷都比考慮井架孔隙的風載荷偏大,相同風向角工況下數值模擬結果的最大偏差為30%,實驗結果的最大偏差為35%。對比圖9所示4種結果,風載荷的兩種數值模擬結果與風洞測壓實驗結果在隨著風向角變化時呈現出基本相同的變化規律,當風向角為45°時,三者的風載荷達到最大值;而風洞的測力實驗結果在風向角為60°達到最大值,其原因為測力實驗模型考慮了平臺甲板上吊車懸臂的影響,使得平臺在該角度的迎風面積增大。

圖9 井架孔隙對平臺整體風載荷的影響

4.4 平臺偏轉對整體風載荷的影響

當平臺發生偏轉運動(縱搖或橫搖)時,甲板的受風面積會隨之變化,進而導致平臺整體風載荷的變化。為研究平臺的偏轉運動對平臺整體風載荷的影響,圖10示出了平臺在無偏轉運動和偏轉達到10°兩種工況下的整體風載荷。對比結果表明:兩種工況下,平臺整體風載荷的峰值位置均出現在風向角為60°的情況下,二者相差近55%。這表明平臺的偏轉對平臺整體風載荷有著很大的影響,在平臺設計和實際工程中對這一問題應該給予足夠重視。

圖10 平臺偏轉對平臺整體風載荷的影響

5 結論

(1)根據風洞測壓實驗結果,當不考慮平臺井架的孔隙時,風向角為45°時平臺各局部構件的風載荷均達到最大值。

(2)根據風洞測壓實驗結果,在風向角為0°的工況下,平臺井架迎風面上相對風壓力系數平均值基本為正值,并在底部中心靠近甲板處和整個迎風面形心處較大,以此兩處為中心其數值向四周遞減,邊緣處平均風壓力系數值接近于0。

(3)不考慮井架孔隙的風載荷比考慮井架孔隙的風載荷偏大,相同風向角工況下數值模擬結果的最大偏差為30%,實驗結果的最大偏差為35%。

(4)平臺偏轉對風載荷影響非常大。當風向角為60°,平臺偏轉10°時,與無傾角工況相比,平臺的整體風載荷增大了55%。

[1] ISKENDER SAHIN.A survey on semisubmersible wind loads [J].Ocean Engineering,1985,12(3):253-261.

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(編輯:葉秋敏)

Abstract:The paper presents numerical simulation and wind tunnel test investigations of wind loads and wind pressure distribution acting on HYSY-981semi-submersible platform in gradient wind field.The wind tunnel test includes pressure test and force test.The wind pressure distribution on platform surface and shape factors for each component are obtained by wind pressure test,and then the whole wind loads are got.The whole wind loads on the platform with no deflection and ten degree deflection are obtained by force test,and the impact of platform deflection and derrick air space on the whole wind load was studied through comparison ofthe testresults. Thenumerical stimulation results of platform wind loads show good agreement with those of the wind tunnel test.

Key words:HYSY-981semi-submersible platform; wind loads;distribution of surface wind pressure; wind tunnel test;numerical simulation

Wind loads and wind pressure distribution acting on HYSY-981 semi-submersible platform
in gradient wind field

Zhu Hang1Ma Zhe2Xie Bin3Zhai Gangjun2Ou Jinping1,2
(1.School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin,150090;
2.School of Civil&Hydraulic Engineering, Dalian University ofTechnology,Dalian,116023;
3.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

2009-12-19 改回日期:2010-03-10

＊國家“863”高技術研究發展計劃項目(2006AA09A103)部分成果。

朱航,男,哈爾濱工業大學土木工程學院在讀博士研究生,主要從事深水平臺設計與研究工作。E-mail:zhuhang@student. dlut.edu.cn。