浮式平臺立柱截面倒角半徑對流力的影響

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]

浮式平臺立柱截面倒角半徑對流力的影響

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]

浮式平臺是深海油氣資源開發的重要裝備。在浮式平臺作業過程中，流力對平臺的定位有直接影響，是平臺設計時需要考慮的重要因素。當平臺設計方案確定后，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軟件對不同截面倒角立柱的流力進行了計算。結果表明，立柱倒角對拖航阻力有明顯影響，當立柱截面倒角大于2 m時，流力可減少50%以上。研究結果可為浮式平臺船型設計提供參考。

浮式平臺；立柱；流力；FLUENT軟件

0 引 言

浮式海洋平臺是海洋油氣開發的重要裝備。常見的浮式平臺包括鉆井作業類平臺和生產服務類平臺，前者包括半潛式鉆井平臺、鉆井船、半潛式修井平臺等，后者包括半潛式生產平臺、張力腿平臺(TLP)、單立柱平臺(SPAR)、浮式生產儲卸油裝置(FPSO)等。半潛式鉆井平臺、半潛式生產平臺和TLP在上述裝備中占比較大。這些平臺船體結構主要可以分為三大部分：浮箱、立柱和上部模塊。在作業工況下，浮箱和部分立柱浸沒在水中，由于海流的作用，此部分會產生較大的流力。

以半潛式鉆井平臺為例[1]。在生存工況迎流時，立柱的流力貢獻占總流力的1/3以上；在作業工況迎流時，立柱的流力貢獻約占總流力的40%。由此，對平臺立柱進行流力優化可降低在位工況下的流力。立柱的主尺度(長、寬)和截面形狀對立柱的阻力都構成重要影響。但是，平臺設計方案確定后，立柱的主尺度將不能隨意改變，因此，流力優化研究可以重點關注立柱的橫截面形狀。

常見浮式平臺立柱的截面形式有兩種：圓形，如Sovereign Explorer號半潛式鉆井平臺和Brutus TLP；正方形導圓角形，如HYSY981半潛式鉆井平臺和Blind Faith半潛式生產平臺。不同截面的關鍵區別在于截面倒角的大小。

本文采用FLUENT軟件對某浮式平臺的立柱取不同截面倒角計算其流力值[2-3]，以期獲得立柱截面倒角半徑對立柱流力的影響規律，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立柱截面繞流問題。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積分，時間項采用二階全隱式積分[4]。

結構流力與其幾何形狀、航速、水的運動黏性系數、水的質量密度和重力加速度等相關，因此必須探討力與這些物理量的函數關系。引入無量綱數雷諾數Re對立柱的運動狀態進行界定。

雷諾數表達公式為

,

(1)

式中：V為流場特征速度；L為特征長度；υ為流體的動力黏度。

計算時，可以得到兩個力：沿流向的流阻力(拖曳力)Fd和垂直于流場的橫向力Fl。為了便于比較，本文對流力系數和橫向力系數進行研究。研究時，分析拖曳力系數Cd的大小和橫向力系數Cl幅值大小隨截面倒角半徑的變化規律。拖曳力系數和橫向力系數的表達式如下：

(2)

,

(3)

式中：Fd為作用于結構上的拖曳力；Fl為作用于柱體上的橫向力；ρ為流場流體中密度；v為流場速度；S為結構的側面積，S=lc·L(lc為結構截面周長，L為結構長度)。本文計算得到的流力皆為單位長度的力(L=1 m)。

2 水動力模型

參考某半潛式鉆井平臺結構圖紙建立流域模型。

流域長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)：對稱邊界條件，此邊界上垂直流向分量為零。

下邊界面(bottom)：對稱邊界條件，此邊界上垂直流向分量為零。

立柱輪廓線(pontoon)：壁面邊界條件，流體從壁面無滑移繞過。

圖1 流域計算模型Fig.1 Model of the fluid domain

劃分網格時采用總體流域網格局部加密技術，取坐標原點為中心120 m×120 m區域劃分三角形網格，該區域外全采用四邊形網格。流域網格圖及立柱局部網格圖如圖2所示。

圖2 流域網格模型Fig.2 Mesh model of the fluid domain

建立模型時，在截面附近區域，網格總數和形狀盡量保持一致以提高對比精度。不同倒角半徑時立柱模型數據如表1所示。

表1 不同倒角半徑時立柱截面模型的網格數及截面周長

時間步長取0.01 s，計算穩定后調大至0.02 s。

3 計算結果

在t=500 s時，幾個典型倒角半徑下的渦量場及壓力場分布云圖如圖3～5所示。

不同倒角半徑時拖曳力系數和拖曳力如表2所示。表中拖曳力結果根據表1中截面周長和對應的拖曳力系數由式(2)計算而得。

不同倒角時橫向力系數和橫向力幅如表3所示。表中橫向力幅值結果根據表1中截面周長和對應的橫向力系數由式(3)計算而得。

不同倒角半徑時，立柱的泄渦周期如表4所示。

圖3 倒角半徑1 m時渦量場和壓力場分布云圖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時渦量場和壓力場分布云圖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時渦量場分布圖和壓力場分布云圖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 不同倒角半徑時的橫向力及橫向力系數

表4 不同倒角半徑時的泄渦周期

4 結果分析

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密切相關。由式(1)可得，計算工況下雷諾數大于107，屬于過臨界區[5-6]。對于均勻來流，立柱截面下游會有渦泄出，并且渦的泄放呈現很強的周期性，橫向力變化非常劇烈。

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

由表2數據可得拖曳力及拖曳力系數隨倒角變化曲線，如圖6所示。

圖6 拖曳力及拖曳力系數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，隨著倒角半徑變小，Fd急劇下降；當R>6 m時，隨著倒角半徑的變化，Fd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Fd比方形立柱對應值小60%以上，并且在3 m6 m后，拖曳力變化不明顯。

由表3數據可得橫向力幅值及橫向力系數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，橫向力幅值Fl隨倒角半徑變化非常劇烈，特別是R=1 m時，出現了明顯的拐點，這是由于不做倒角時壁面尖銳，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。橫向力對結構有一定的影響，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數據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，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，泄渦周期較小，泄渦周期變化比較平緩，容易與結構產生共振。在設計時應盡量避開結構的固有頻率，以免形成共振，加速結構破壞[7]，建議倒角半徑R<4 m。

5 結 語

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、結構設計、建造可實現性等多重因素的影響。從立柱的流力和泄渦周期角度考慮，給出以下兩點建議：方形截面立柱截面倒角半徑越大，流力越小，但是到達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

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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，主要從事海洋平臺設計與建造方面的研究。

P751

A

2095-7297(2016)02-0111-05