SPAR平臺拖拉裝船作業風荷載計算研究

閆宏生，徐 燕，張英晟，孫偉英，樊之夏

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072;2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300451)

SPAR平臺拖拉裝船作業風荷載計算研究

閆宏生1，徐 燕1，張英晟1，孫偉英2，樊之夏2

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072;2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300451)

SPAR平臺裝船作業和運輸過程中受到的風荷載對作業的安全性有極大的影響。采用計算流體動力學方法，針對作業和極限兩種工況，對桁架式SPAR平臺在不同方向下的風荷載進行數值模擬，然后將數值模擬的結果和規范計算的結果進行比較，證實了CFD計算方法對復雜結構風荷載的有效性，為計算桁架式SPAR平臺這類復雜結構物的風荷載提供了一個新方法。

桁架式SPAR平臺;風載荷;計算流體動力學;數值模擬

SPAR平臺屬于順應式平臺，被廣泛應用于人類開發深海的事業中，擔負著鉆探、生產、海上原油處理、石油儲藏和裝卸等各種工作，成為當今世界深海石油開采的有力工具［1］。國內外許多專家學者對SPAR平臺進行了大量細致的研究，如動力響應、系泊系統、疲勞強度以及各種耦合運動分析等，但對于SPAR平臺的運輸研究相對較少。SPAR平臺的運輸一般采用濕拖和干拖兩種方式:濕拖是指利用SPAR平臺自身的浮力，采用拖船對SPAR平臺進行拖航運輸，濕拖主要用于距離安裝場地不遠的短距運輸;對于從建造場地到浮卸場地的長距離運輸，只能采用半潛船的干拖形式(如圖1所示)。

SPAR平臺的尺寸巨大，一般設有多層止蕩板和桁架結構，其受到的風荷載較大且想要準確的計算出整體的風荷載卻非常困難。目前常規的計算方法是首先計算出各部分的受風面積，然后進行最不利的組合，但是這種簡單的估算并不能滿足計算半潛船運輸時的穩性以及裝船時系泊安全性的要求。

采用計算流體動力學(CFD)基本原理對桁架式SPAR平臺在裝船時受風情況進行數值模擬，對風載荷進行詳細的計算，給出了該平臺在不同風向、不同風速下的風荷載。該計算結果可以作為裝船時系泊系統的設計依據，也可作為在航行過程中，判定半潛船運輸時穩性校核的基礎數據。

圖1 SPAR平臺的干拖形式Fig.1 The spar and submerged ship

1 CFD基本理論和方法

1.1 控制方程

計算流體力學(CFD)是建立在流體力學基本控制方程——連續性方程、動量方程和能量方程的基礎上的［2］。連續性方程即質量守恒方程，笛卡爾坐標系下，連續性方程的微分形式為

動量方程也稱為流體運動方程，它是將牛頓第二定律應用于流體模型得出的。不可壓縮粘性流體的運動方程首先由Navier在1827年提出，Poisson在1831年提出可壓縮粘性流體的運動方程，Stokes在1845年提出粘性系數為一常數的形式［3］。可壓縮N-S方程的普遍形式為

式中:Δ是拉普拉斯算子;ρ是流體密度;p是壓力;ν是流體在時刻的速度矢量;F是外力;υ為粘性系數。NS方程比較準確地反應了流體的實際運動，但是由于其高度的非線性，目前很難通過直接數值模擬求解N-S方程。

1.2 數值離散方法

控制方程在流場內是連續的，須通過離散處理，將連續性的方程轉換成代數方程，方可對方程求解，得出離散點的值。離散方法主要分為三種:有限差分法、有限體積法和有限元法［4］。

1)有限差分法(Finite Difference Method):FDM的基本思想是把問題的計算域進行網格劃分，在網格節點上，用差商代替微商，用差分方程逼近微分方程，并根據原問題的初邊界值條件給出離散化的代數方程的初邊值條件，從而把原問題離散成差分格式，進而求出數值解［5］。

2)有限元法(Finite Element Method):FEM是將連續計算域分割成有限子域，每個子域的場函數是只包含有限參數的簡單場函數，這些子域的場函數的集合就能近似代表整個連續域的場函數。求解連續場函數的微分方程就轉化為有限待定參數的代數方程組，求解這個代數方程組就得出連續方程的近似解。

3)有限體積法(Finite Volume Method):FVM將計算區域劃分為網格，并使每個網格點周圍都有一個互不重疊的控制體積，然后將待解的微分方程對每一個控制體積進行積分(需要假定待求解在網格點之間的變化規律)，得出一組離散方程，其中的未知數是網格點上的因變量的數值。FVM可以認為是FDM和FEM的中間產物，其計算效率高，并且積分守恒性較好［6］。

2 數值計算

選擇商用軟件Flow3D，采用有限差分方法離散流體控制方程，并采用GMRES方法求解離散后的代數方程。根據桁架式SPAR平臺裝船時的具體方案，針對作業工況(風速為5 m/s)和極限工況(風速為10 m/s)兩種情況，對 0°、45°、60°、90°四個風向所受到的總風荷載進行計算。

2.1 計算模型

桁架式SPAR平臺的主要結構尺寸如表1所示，圖2為建立的結構模型。

表1 實際Truss Spar基本尺寸Tab.1 The fundamental dimension of SPAR

2.2 計算域的確定及網格劃分

計算域的確定和網格劃分對于計算精度非常重要，根據桁架式SPAR平臺的尺寸，針對四種風向分別設置了四種計算區域并相應的劃分了網格，計算域和網格的劃分情況如表2和圖3所示。

圖2 數值計算模型Fig.2 Compute model of SPAR

表2 計算域大小及網格劃分Tab.2 The computational domain and mesh of SPAR

圖3 SPAR平臺計算域Fig.3 The computational domain of SPAR

2.3 邊界條件

邊界條件的選取對計算非常重要，一般包括進口條件、出口條件、壁面條件和對稱邊界等。根據相對運動原理，將桁架式SPAR平臺設置為固定的。邊界條件的設置為:進口為速度邊界;出口為自由流出邊界條件;物體表面和底部都為無滑移壁面條件;其他方向為對稱邊界條件;靜水壓力方向為Z軸負方向。

2.4 計算結果

按上述條件設定好，進行計算，得到在不同的風向角及不同的風速情況下的阻力，圖4是不同風向角及風速情況下的阻力計算圖，表3是風阻的計算平均值，圖5是風速為10 m/s的不同風向角時的風壓分布狀況。

根據圖4的計算結果，取5～20 s的平均值(0～5 s的震蕩劇烈，略去)，可得到如表3的風阻力計算平均值。

圖4 不同風向角及風速情況下的阻力收斂圖Fig.4 The resistance convergence scheme of SPAR

如圖5所示，在0°風向時，軟艙以后以及各止蕩板之間的壓力變化很大，基本是逐步減小，因而其遮蔽效應是相當明顯的。而45°方向和60°方向，由于夾角增大，其遮蔽效應有所減弱，且受風面積增大，風荷載的逐步增大，在60°時，受到的總體荷載最大。90°風向時，沒有遮蔽效應，但受風面積減小，總體荷載則相應減小。因此，對于SPAR平臺的風荷載計算，應選取不同風向進行計算最大荷載方向以及相應的荷載，來確定裝船時的系泊系統設計方案。

表3 風阻計算值 (單位:kN)Tab.3 Wind resistence computation (unit:kN)

圖5 不同風向角的風壓分布狀況Fig.5 The pressure distribution scheme of SPAR

3 風載荷的規范計算及裝船研究

目前，有關風荷載的計算，一般采用規范計算，根據《海船系泊設備配置設計通則》(ZB/T U13001-89)中有關規定，風荷載按下式計算:

式中:Ra=0.073 5(橫向)，Ka=0.042 9(縱向)，Aa為水線以上風壓方向投影面積(m2)，Va為相對風速(m/s)。

表4給出了各方向的受風面積的計算。圖6給出布置圖和計算的風向。

根據各方向受風面積，按上述式(3)進行計算，可得到各方向的風荷載，和CFD方法計算結果進行對比，其結果如表5所示。

表4 受風面積計算 (單位:m2)Tab.4 The computation of wind load area(unit:m2)

表5 風荷載計算(10 m/s) (單位:kN)Tab.5 Wind load computation(unit:kN)

圖6 作業布置和計算風向Fig.6 Operation arrangement scheme for loadout

很明顯，規范計算結果和計算流體力學(CFD)計算結果相比有較大差異。規范計算中，只考慮風速和受風面積，沒有考慮結構的自身特點。對于像桁架式SPAR平臺這樣復雜的，非單一受風面的結構，只能將不同受風面疊加，不能考慮其間的遮蔽效應。另外，由于結構的復雜性，存在不同方向的受風面，其各自的受風效果會有相互影響，規范所給公式，無法考慮這些影響作用。采用本文使用的CFD計算方法，則可綜合考慮結構的特點，計算結果相對較為準確。

從計算結果來看，在90°風向下，由于SPAR平臺的受風面積較為簡單，沒有明顯的遮蔽現象和相互作用。規范計算結果和理論計算結果相差不大。但對于0°、45°、60°等相對遮蔽作用較為明顯的風向。規范計算結果明顯大于理論計算結果。在0°方向，誤差接近200%，其根本原因就是由于SPAR的各層止蕩板以及各部位相互遮蔽現象極為嚴重，導致計算量極大;45°、60°風向時，也存在類似的問題。

4 結語

采用計算流體力學方法對桁架式SPAR平臺的受風荷載進行了計算，并將結果和規范計算結果進行比較，可以得到如下結論:

1)桁架式SPAR平臺結構巨大，其受到的風荷載很大，對于裝船作業的安全性有極大影響。

2)現有規范計算公式，沒有考慮不同受風面之間的遮蔽效應和相互影響，對于計算SPAR平臺這樣復雜的，多受風面重疊的特殊結構的風荷載，結果相對較為保守。

3)將CFD數值計算方法用于桁架式SPAR平臺風荷載計算，結果準確，還可以得到整個風場的速度、壓力分布，對于裝船作業及航行過程中的安全性，具有較大的意義。

［1］顧 罡.國外SPAR平臺研究與發展綜述［J］.艦船科學技術，2008，30(3):

［2］高學平.高等流體力學［M］.天津:天津大學出版社，2005.

［3］常 欣，郭春雨，王 超，等.Fluent船舶流體力學仿真計算工程應用基礎［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2011.

［4］王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］忻孝康，劉儒勛，蔣伯誠.計算流體動力學［M］.長沙:國防科學技術大學出版社，1989.

［6］閻 超.計算流體力學方法及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

The research of wind loading for the SPAR Loadout

YAN Hong-sheng1，XU Yan1，ZHANG Ying-sheng1，SUN Wei-ying2，FAN Zhi-xia2
(1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tainjin 300072，China;2.China Offshore Oil Engineering Corporation，Tianjin 300450，China)

The wind loading acting on the SPAR platform during transportation and operation was very important for safety working.By use of the Computational Fluid Dynamics(CFD)method，we carried out the numerical calculation of wind loading acting on the truss SPAR platform with differents wind directions under working and extreme conditions.Then we compared numerical simulation results with the standard computation results.The research confirmed the validation of CFD method in computing the wind loading acting on the complicated structure such as SPAR platform and provided a new method to deal with this kind of wind loading problem.

SPAR platform;wind loading;CFD;numerical simulation

P751

A

1005-9865(2012)03-0131-06

2011-10-21

天津大學自主創新基金資助項目(2012XZ-078)

閆宏生(1973-)，男，天津人，副教授，從事船舶性能及結構可靠性研究。E-mail:holmes_tj@126.com