不同月池形狀對鉆井船附加阻力的影響

姚震球，孫 碩，凌宏杰，周偉楠

(江蘇科技大學 a.海洋裝備研究院; b.船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

鉆井船憑借較大的可變載荷和良好的機動性，已成為深海油氣資源開發的一大利器。月池是鉆井船中部垂直貫穿船體、連接甲板與海底的空腔結構，通過月池可將船上鉆井設備和立管等下放至海中進行鉆井作業。月池可有效減小外部波浪對鉆井設備的影響，保證安全作業[1-2]。由于鉆井船需經常轉移至不同海域進行新油田的鉆探和開采，月池的存在導致鉆井船在航行中存在附加的月池阻力，影響航行性能。因此，有必要開展月池形狀對鉆井船附加阻力影響的研究[3]，優化其性能。

利用 CFD 數值水池開展鉆井船附加阻力性能研究是較為方便的技術。孫采微[4]建立基于N-S方程和流體體積(Volume of Fluid，VOF)法的數值波浪水池，分析帶有方形月池的鉆井船月池內流體振蕩機理。劉學勤等[5]研究深水鉆井船阻力性能及月池改進措施，對兩艘不同的鉆井船進行阻力性能分析，分別對有月池方案和無月池方案的鉆井船進行繞流場和阻力計算，并將數值計算得到的阻力與模型試驗結果進行對比。金瑞健等[6]通過模型試驗研究工作月池在關閉與開啟狀態下對船舶阻力的影響，還研究工作月池不同底部倒圓半徑和側壁格柵開孔率對月池阻力的影響。張曉宇等[7]和王碩等[8]分別對鉆井船月池附加阻力進行一定的研究。

應用FINE/Marine軟件，開展鉆井船無月池、階梯形月池和優化后階梯形月池方案對附加阻力性能的影響研究。對航行中月池內非定常流動進行模擬，分析附加阻力成因與影響因素，并通過不同形狀月池附加阻力計算及對比分析，驗證和預報月池優化結果。

1 數值模擬方法

以超深水鉆井船為研究對象，構建其分析模型。該鉆井船中部設置階梯形矩形月池，其主尺度如表1所示。

表1 鉆井船月池主尺度

1.1 計算模型與月池方案

為便于數值模擬，對超深水鉆井船實船按照1∶36進行縮尺。采用三維建模軟件SolidWorks 建立三維數值計算模型。鉆井船三維模型如圖1所示。

圖1 鉆井船三維模型

為研究不同形狀月池對鉆井船附加阻力的影響，考慮3種月池方案：

(1) 方案1：月池完全遮蔽，即無月池方案；

(2) 方案2：階梯形月池方案(見圖2)；

圖2 階梯形月池方案

(3) 方案3：后部帶傾角階梯形月池方案(優化方案為月池后壁下部向后傾斜，底角斜切，見圖3)。

圖3 后部帶傾角階梯形月池

1.2 數值模擬方法

數值模擬采用VOF 法。流場為黏性不可壓流場，使用連續性方程和 RANS 方程，計算時采用湍流模型k-ω剪切壓力傳輸(Shear Stress Transport, SST)模型、 SIMPLE算法[4]進行求解。

(1)

(2)

1.3 計算域及網格

將三維模型導入全六面體非結構 HEXPRESS 網格生成器進行網格劃分，計算域選擇船模距入口2倍船長2L、距出口3L、距上下邊界分別0.5L和1.5L、左右邊界各1.5L。計算域長為32.50 m，寬為19.50 m，高為16.25 m，計算域及網格如圖4所示。船模長6.61 m、寬1.21 m、高0.62 m。對船體以及自由液面處網格進行細分，船體及月池邊界層加密，外流域網格相對稀疏。邊界層網格如圖5所示。計算區域內船體采用標準壁面函數，上邊界、下邊界采用指定壓強(液體靜壓)邊界條件，入口、出口以及左右兩側邊界條件設置為遠場。

圖4 計算域及網格

圖5 鉆井船附近邊界層網格

1.4 網格收斂性驗證

分別對3個方案的3種不同數量的網格進行網格收斂性驗證。網格加密原則為：對阻力具有影響的船體水下部分濕表面網格進行逐步加密；對月池附加阻力具有較大影響的水線面以及月池池壁使用box工具進行局部加密；對與本研究相關度不大的船體部分進行低密度加密。整體網格保持負網格、凹陷網格、扭曲網格數量為0，網格具有良好的正交性以及縱橫比。圖6為不同網格數量的船體表面網格對比。

圖6 不同網格數量的船體表面網格對比

以方案3為例，采取包含147萬個、247萬個、351萬個網格的粗、中、細等3套網格模型進行網格收斂性驗證。實船航速為15 kn，縮尺后模型航速為1.286 m/s，阻力對比結果如圖7所示。與粗網格方案相比，中、細網格方案計算時歷曲線波形接近，平均值相差較小，網格的收斂性較好。為節省計算機數值仿真計算時間，采用247萬個中密度網格開展數值計算。同理，對方案1和方案2分別進行網格收斂性驗證，結果一致，故亦采用相同中密度網格方案開展數值計算。

圖7 方案3粗、中、細不同網格下的收斂性驗證結果

2 航行中鉆井船月池內流場仿真

2.1 鉆井船階梯形月池內流場

為探究月池附加阻力特性，尋找減小月池附加阻力的優化方法，對航速為15 kn、帶階梯形月池的鉆井船(方案2)開展航行狀態下的月池內流場仿真分析，獲得鉆井船興波圖[9]和月池內速度矢量圖。 圖8為方案2鉆井船船行波波面升高分布云圖。圖9為方案2放大的月池內自由液面升高云圖。圖10為方案2鉆井船中縱剖面兩相流分布圖。圖11為方案2放大的月池內流體速度矢量圖。

圖8 方案2鉆井船船行波波面升高分布云圖

圖9 方案2放大的月池內自由液面升高云圖

圖10 方案2鉆井船中縱剖面兩相流分布圖

圖11 方案 2放大的月池內流體速度矢量圖

觀察圖8～圖11可得鉆井船的行進波系及月池內液面流體速度變化狀況。

從總體上看，帶月池鉆井船首尾行進波系與常規船舶相仿，因此其對附加阻力的形成影響不大。由于存在月池，船底水流在流經月池下方時會帶動底部水體一起向后流動，月池開口前端壁下部壓強減小，上部水體向下補充，自由液面降低；由于月池后端壁的存在形成阻塞效應，水流以較高流速沖擊豎直的月池后端壁，迫使水體向上運動，導致月池內靠近后壁處自由液面升高，月池內上部水體向前補充時形成漩渦；由于月池前部有臺階，在臺階處水體流動更加復雜，部分水體在向前補充時，在臺階前壁反射后向下向后運動，然后與漩渦疊加使漩渦強度增加。上述狀況反復發生，導致其阻力曲線呈現簡諧波形狀(見圖7)。

由上述分析可知，月池附加阻力主要源于月池開口中水體的阻塞效應和漩渦運動所產生的阻力。

2.2 形狀優化后月池內流場

在鉆井船航行過程中，月池內水體阻塞效應以及漩渦運動消耗了大量能量，船底水流與階梯形月池后端壁呈90°沖擊，附加阻力較大。為此在基本不改變其功能、大小和結構特點的情況下進行月池形狀優化。將月池后壁下部順水體流動方向向后傾斜并在其底角斜切，形成優化后的方案3(見圖3)。該方案可減小水流與月池后端壁的沖擊角度，開辟水體向后流動的通道，同時壓制其波面爬升高度，以減小其附加阻力。

對該方案在與方案2同樣的條件下進行CFD仿真模擬。圖12為方案3鉆井船船行波波面升高分布云圖。圖13為方案3放大的月池內自由液面升高云圖。圖14為方案3鉆井船中縱剖面兩相流分布圖。圖15為方案3放大的月池內流體速度矢量圖。

圖12 方案3鉆井船船行波波面升高分布云圖

圖13 方案3放大的月池內自由液面升高云圖

圖14 方案3鉆井船中縱剖面兩相流分布圖

圖15 方案3放大的月池內流體速度矢量圖

方案3的月池后端壁向后傾斜、底角斜切使底部部分水流可直接越過月池底部，減小沿月池后端壁上升的水流流量，降低水流對月池后端壁的沖擊，阻塞情況獲得明顯改善。對比圖15與圖11可以發現，改進后漩渦強度降低，減小月池前后端壁壓力差，同時減少向前運動的水流在臺階前壁的反射，進一步降低漩渦的強度以及月池內部漩渦運動的能量，因此附加阻力得以降低。

2.3 月池內波高對比

在鉆井船月池內部自由液面A點(靠近月池后壁面)和B點(月池臺階下)設置監測點(見圖16)，獲得了方案2和方案3鉆井船月池內自由液面處波高時歷曲線，如圖17所示。A點反映后壁面處波高，B點則反映月池波面受階梯的影響。

圖16 鉆井船月池內自由液面處波高監測點

圖17 鉆井船月池內自由液面處波高時歷曲線

A點液面波高呈現簡諧波形，對比方案2與方案3可知優化后的方案3月池波幅整體減小；B點由于受階梯的影響而產生漩渦運動，方案3月池自由液面波動幅度同樣明顯減小，表明流體運動劇烈程度降低，同航速下月池附加阻力減小。

3 不同形狀月池附加阻力

根據對不同形狀月池內流場的仿真，可得出結論：在鉆井船航行時底部水流流入月池，為月池內部漩渦運動提供能量；由于月池內的阻塞效應，隨著月池內水體的垂蕩，月池底部水流的分離及內外水體質量交換產生了月池內的周期性漩渦運動，產生了附加阻力[5]。月池附加阻力包括其自身阻力以及因漩渦運動而產生的阻力。為分析月池形狀對附加阻力數值的影響，分別計算不帶月池與帶不同形狀月池方案下的鉆井船阻力，并進行對比。

3.1 月池附加阻力計算

分別計算3種月池方案的鉆井船阻力，航速范圍為11～15 kn，間隔為1 kn。以方案1的阻力為基本值，將方案2和方案3所得阻力與方案1所得阻力相減，即得到不同形狀月池的附加阻力，如表2所示。

表2 不同航速3種月池方案的鉆井船阻力與月池附加阻力計算結果

3.2 月池附加阻力比較

將CFD計算得到的阻力繪成阻力曲線和月池附加阻力增加百分比曲線，如圖18所示。

比較方案 2、方案3與 方案 1阻力曲線發現：鉆井船阻力與是否存在月池有關，不同形狀月池的存在導致鉆井船阻力增加，形成了月池的附加阻力；隨著航速增加，帶有不同形狀月池的鉆井船的總阻力增加趨勢是一致的；在相同航速下帶月池的鉆井船阻力比無月池鉆井船總阻力增加約9%～20%。

比較方案 2與方案 3月池附加阻力增加百分比曲線可以發現，不同形狀的月池附加阻力是不同的。月池形狀優化后(方案 3)，相同航速時月池附加阻力明顯減小(本船型平均減小近35%)，說明優化月池形狀可有效改善鉆井船的阻力性能。對比優化前后兩種形狀的月池：優化后帶傾角階梯形月池附加阻力基本穩定，為總阻力的9%～11%；常規階梯形月池附加阻力為總阻力的13.5%～20.0%，存在一定的波動現象。

圖18 3種方案月池船體阻力對比

4 結 論

通過對不同形狀月池內非定常流動特性的研究和鉆井船附加阻力的對比分析可知，航行中的鉆井船月池內的阻塞效應和流體漩渦運動會產生月池附加阻力，影響航行性能。不同形狀月池導致鉆井船航行附加月池阻力不同。優化月池形狀和結構可有效降低月池內的波高和漩渦強度，改善航行性能。

(1) 通過對有、無月池鉆井船的阻力性能和月池內流場特性的對比分析可知，月池內阻塞效應和流體運動所產生的波浪、漩渦消耗了較多的能量，形成了鉆井船月池附加阻力。

(2) 減少流體對月池后端壁的沖擊，導引流體流出月池，可減少阻塞效應、降低旋渦強度，是優化月池形狀和結構的基本思路，可有效減小月池附加阻力。

(3) 通過優化月池形狀和結構(以方案 3為例)，將月池后端壁下部設計為向后的斜坡，并在后壁下端處進行斜切處理后，月池附加阻力平均減小近35%，可有效改善鉆井船的阻力性能。