HYSY-981半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验

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第38卷第5期船海工程Vol.38No.52009年10月SHIP&OCEANENGINEERINGOct.2009DOI:10.3963/j.issn.167127953.2009.05.036HYSY2981半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验122331,2朱航,马哲,翟钢军,谢彬,付英军,欧进萍(1.哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090;2.大连理工大学土木水利学院,辽宁大连116023;3.中海石油研究中心,北京100027)摘要:针对我国深海油气开发拟采用的HYSY2981半潜式平台设计制作了1∶100比例模型,利用风洞实验进行稳态梯度风作用下的抗风特性实验和测定,计算百年重现期的平台整体的风载荷。基于N2S方程,选择剪切应力运输湍流模型、二阶迎风格式离散方法和三维稳态隐式解法对HYSY2981半潜式平台进行构件平均风压分布、形状系数和平台整体的风载荷数值模拟计算。风洞实验结果与数值模拟计算结果基本吻合,验证了数值模拟方法的适用性与实用性。关键词:半潜式平台;风载荷;数值模拟;风洞实验+中图分类号:U674.381;P75文献标志码:A文章编号:167127953(2009)0520149204目前国内外研究海洋平台风载荷的常用方法立柱17.385m×17.385m×21.460m主要有现场观测、数值模拟和风洞实验。对深水浮体114.07m×20.12m×8.54m[123]平台风载荷的研究始于20世纪80年代。我井架66m国深水工程起步较晚,缺少深水环境时海洋平台数值模型与实际平台略有差别。实物中的细的风载荷的现场观测数据,因此,对海洋平台风载小结构及对气动力与水动力影响不大的构件均已荷问题的研究仍以数值模拟和风洞实验为主。略去;甲板简化为规则箱体,忽略上面细部结构与我国即将建造的深水平台HYSY2981,上部设备的影响;考虑风墙的遮挡与钻头的填充,数值甲板多集成生产、生活等多种功能,空间利用率模型忽略钻井塔孔隙率的影响。高,但平台在不同入射风向角作用下的抗风特性1.2风况条件复杂。文中分别用数值模拟和风洞实验的方法对针对3000m水深海况进行计算。海域内的HYSY2981平台深水半潜式钻井平台稳态梯度风风况见表1。作用下的抗风特性进行研究。表1海域的风速极值m/s1平台的模型建立及风况的选择风时长/min重现期/年0.0511030601.1平台模型的建立10065.455.046.645.343.6HYSY2981为国际第6代深水半潜式钻井研究平台的自存工况,此时平台吃水16m,平台,其主体包括2个浮体,4个立柱和1个封闭按规范要求取百年重现期3s平均风速进行平台的甲板。平台采用DPS23动力定位,作业水深风载荷的极值计算。3000m。参照HYSY2981平台设计平台数值模型,数2平台风载荷的数值模拟值模型主要参数为:2.1控制方程与湍流模型甲板(长×宽×高)74.42m×74.42m×8.60m由于平台各局部构件均为钝体,钝体绕流问题的控制方程为粘性不可压N2S方程,基于雷诺收稿日期:2009201216平均的控制方程可写为:修回日期:20092032095(ρui)=0i=1,2,3(1)作者简介:朱航(1983-),男,博士生。5xi研究方向:深水平台设计与研究。55(ρui)+(ρuiuj)=E2mail:zhuhang@student.dlut.edu.cn5t5xi149 第5期船海工程第38卷5p55ui5DUT21是一座全钢结构单回流闭口式边界层风-+μ+(-ρu′iu′j)j=5xi5xi5xj5xj洞,风洞气动轮廓长43.8m,宽13.1m,最大高1,2,3(2)度为6.18m;试验段长18m,横断面宽3.0m,高3式中:ρ———空气的密度,ρ=1.225kg/m;2.5m,最大设计风速50m/s。μ———动力粘性系数,3.1实验模型25μ=1.7894×10kg/(m·s)。平台的实验模型与数值模型几何相似,采用计算过程中的湍流模型采用剪切应力运输模有机玻璃材料制作。模型具有足够的强度和刚型,即sstk2ω湍流模型。该模型是Menter对度,在实验中不会发生明显的变形和振动,保证压Wilcox提出的简单k2ω湍流模型的改进,综合了力测量的精度。模型比尺为1∶100,与实物在外k2ω模型在近壁区计算的优点和k2ε模型在远场形上保持几何相似。实验中将模型放置在直径计算的优点。2.0m的转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向;sstk2ω模型可写为:平台模型主尺度为长1.1m、宽0.8m、高1.0m5(ρk)555k+(ρkui)=Γk+(考虑上部井架),满足边界效应影响。5t5xi5xj5xj～由于实验模型很小,实物中的一些细小结构Gk-Yk+Sk(3)及对气动力影响不大的构件均已略去。平台甲板5(ρw)555w+(ρwui)=Pω+5t5xi5xj5xj及其上部结构与立柱均为非流线型物面,绕流分Gw-Yω+Dw+sw(4)离点固定,实物与模型在不同雷诺数情况下流动式中:k———湍流动能;趋于相同,无需考虑雷诺数的影响。ω———湍流耗散率;3.2实验风速与风向～Gk———由平均速度梯度所产生的k;在实验段入口处,设置涡流发生器(三角形尖Gω———产生的ω;劈)、粗糙元块等装置,均匀流经过以上装置后涡Γk、Γω———k和ω的有效扩散率项;流损失将随高度变化,由此实现流速随高度变化。Yk、Yω———k和ω的耗散项;调整上述装置的尺寸及相对距离,使模型区达到Sk、Sω———用户自定义的源项;需要的风剖面。由于实验设定平台处于自存工Dω———横向耗散导数项。况,此时考虑平台移动速度的影响,风速剖面指数式中各项的具体计算公式参照文献[4]。调整为1/10。风载荷的计算采用三维稳态隐式解法,离散设定整体坐标系中入射风方向为x轴正方方法为二阶迎风格式,压力2速度耦合采用SIM2向,风洞下壁面平面内垂直于x轴方向y轴方PLE算法。定义来流风方向为x正向,计算域尺向,垂直于风洞下壁面向上为z轴方向,坐标系原度为2000m×800m×500m,建筑物置于流域点为平台底面形心。沿流向前1/3处。平台关于x轴和y轴均为对称,入射风向角2.2边界条件的设定为平台浮体水平方向与x轴正方向的夹角,其变1)进流面采用速度入口边界,风速大小沿高化范围为逆时针0～90°,实验时每隔15°记录平度分布函数取为:0.125台模型测点的风压时程数据。zv=v10·(5)104结果分析2)出流面采用压力出口边界条件。3)流域顶部和两侧采用对称边界条件,等价4.1平台各构件形状系数的风洞实验结果于自由滑移的界面。平台主体部分可分为立柱,甲板,井架三部4)建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条分,实验测定各部分在不同风向角下的形状系数,件。以便可以更准确地计算平台的风载荷。甲板为74.42m×74.42m×8.62m的箱3平台风洞实验体,关于x轴和y轴均为对称;立柱长宽均为实验在大连理工大学DUT21风洞中完成。17.385m,不考虑平台倾角时立柱水面上高度为150 HYSY2981半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验———朱航,马哲,翟钢军,谢彬,付英军,欧进萍14m,计算时不考虑立柱间的遮蔽效应,计入立柱全部的投影面积;井架由于形状的不同,可分为上部与下部,其中,下部为17m×17m×42m的长方体,而上部为高22m的尖体。二者均关于x轴和y轴对称,图1为平台在0～90°入射风向角时各构件的形状系数。图2百年重现期海况不同入射风向角情况下平台各构件的风载荷4.3平台整体风载荷的数值计算及风洞实验结果平台整体风载荷由各局部构件风载荷叠加而得。0～90°入射风向角下平台风载荷的风洞实验结果与数值计算结果见图3。图1平台各构件的形状系数由于不同入射风向角情况下各局部构件所对应的迎风面横截面积不同,平台各局部构件的形状系数随入射角的变化呈现不规则变化。图2的实验结果表明,当入射风向角为0°时,井架的顶部与底部、甲板的形状系数达到最大,其值分别为1.334、1.546和1.218。当入射风向角为60°时,立柱的形状系数达到最大,其值为1.134。而文献[5]上规定的形状系数未考虑入射风向角的影响,对井架、甲板和立柱的形状系数规定的取值分别为1.25、1.10和1.00。对比图3平台风载荷的实验结果与数值结果对比文献[5],实验所得的各构件的形状系数更为真图3的计算结果表明:平台整体风载荷的数实,且各构件形状系数的最大值比文献[5]规定值计算结果与风洞实验结果趋势一致,二者均在值略偏大。入射风向角为45°时达到最大值。当入射风向角为了进一步研究不同入射风向角情况下平台为45°时,数值计算结果偏小,偏差约为10%,其风载荷的规律,下面比较在百年重现期南海热带余风向角情况下二者基本吻合。数值计算结果的飓风海况下,平台各局部构件所受的风载荷。精度可以达到工程应用要求。4.2平台各构件风载荷的风洞实验结果4.4平台倾角对风载荷的影响图2列出了在百年重现期南海热带飓风海况由于平台在30～60°入射风向角时风载荷较下,平台在0～90°入射风向角时甲板、立柱和井大,分别以30°、45°、60°入射风向角为例,通过数架上的风载荷。值计算方法,研究平台与水面倾角对平台整体风图2的计算结果表明,平台各局部构件的风载荷的影响。设定以平台迎风处向下倾斜为负倾载荷随入射风向角的变化,呈现着相同的变化规角,向上倾斜为正倾角。在百年重现期南海热带律,当入射风向角为45°时,平台各局部构件的风飓风海况下,平台与水面倾角为-15～15°时平台载荷均达到最大值。整体风载荷的变化规律见图4。151 第5期船海工程第38卷45°时,各构件上的风载荷达到最大。3)平台整体风载荷的数值计算结果与实验结果基本吻合。但是当入射风向角为45°时,数值计算结果偏小,偏差约10%。4)30°、45°、60°入射风向角工况下,平台与水面倾角为15°时风载荷达到最大值,其最大值与平台倾角为0°时的风载荷相比,分别增大了7.23%、6.14%、9.26%。参考文献[1]SAHINI.Asurveyonsemisubmersiblewindloads图4平台倾角对风载荷的影响[J].OceanEngineering,1985,12(3):2532261.图4的计算结果表明,倾角对平台的风载荷[2]GOMATHINAYAGAMS.Dynamiceffectsofwind有一定影响。以风向角为30°时的情况为例,其loadsonoffshoredeckstructure—Acriticalevalua2最大值与最小值相差为15%。各风向角工况均tionofprovisionsandpractices[J].JournalofWind在平台与水面倾角为15°时,平台的风载荷达到EngineeringandIndustrialAerodynamics,2000,84最大值。其最大值与倾角为0°时的平台的风载(3):3452367.[3]DAVENPORTAG,HAMBLYEC.Turbulentwind荷相比,30°、45°、60°入射风向角工况下风载荷分loadinganddynamicresponseofjackupplatform[C].别增大了7.23%、6.14%、9.26%。OffshoreTechnologyConference,Houston,Texas,5结论1984:PaperNO.OTC4824.[4]王瑞金,张凯,王刚.Fluent技术基础与应用实例1)通过风洞实验得到的平台在不同入射风[M].北京:清华大学出版社,2007.向角下各构件的形状系数更为精确,且最大值比[5]中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[M].北文献[5]规定取值略为偏大。京:人民交通出版社,2005.2)平台各局部构件上的风载荷随入射风向角的变化呈现相同的变化趋势,当入射风向角为NumericalSimulationandWindTunnelTestsofWindLoadsActingonHYSY2981Semi2submersiblePlatform122331,2ZHUHang,MAZhe,ZHAIgang2jun,XIEBin,FUYing2jun,OUJin2ping(1SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;2SchoolofCivilandHydraulicEngineering,DalianUniversityofTechnology,DalianLiaoning116024,China;3.CNOOCResearchcenter,Beijing100027,China)Abstract:The1/100scalemodelwasmadeaccordingtotheHYSY2981semi2submersibleplatformwhichwillbeusedfortheexploitationofoilandgas,bothmeanwindpressuredistributionandshapefactorsoflocalmembersoftheplat2formwiththesteadygradientwindweremeasuredthroughwindtunneltestsunderdifferentwinddirections.Thetotalwindloadsactingontheplatformunderdifferentwinddirectionswerecalculatedaccordingtotheseshapefactorswith1002yrtimereturnperiods.Thenumericalsimulationofmeanwindpressuredistribution,shapefactorsandthewindloadsoftheplatformarebasedonN2Sequation,and32D,steady,implicitsolverischosen.Theexperimentalresultsofthewindtunneltestforthewindloadactedontheplatformshowedgoodagreementwiththoseofthenumericalsimula2tion.Keywords:semi2submersibleplatform;windloads;numericalsimulation;windtunneltest152