深海垂向流速剖面數(shù)值模擬 (1).docx

1、第26卷第4期2008年11月海洋工程THEOCEANENGINEERING文章編號：1005-9865(2008)04-0001-07深海垂向流速剖面數(shù)值模擬毛丞弘，楊建民，彭濤(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200030)摘要:運用CFD軟件對深海各種不同的垂向流速剖面進行數(shù)值模擬，分析研究試驗區(qū)域內(nèi)水流在空間上的流速分布情況以及湍流強度的變化,并與目標流速進行了比較。結(jié)合模型試驗，表明數(shù)值模擬的結(jié)果是可彝的,造流系統(tǒng)能夠較為準確地模擬出不同垂向流速剖面的海流,滿足深水試驗池對深海海流的模擬要求。關(guān)鍵詞:垂向流速剖面;試驗區(qū)域;湍流強度;數(shù)值模擬中圖分類號:P75文獻標識瑪：AN

2、umericalsimulationofverticalcurrentprofilesMAOCheng-hong,YANGJian-min,PENGTao(TheStateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniveraity,Shanghai200030,China)Abstract:DifferentdeepwaterverticalcurrentprofilesaresimulatedbyusingCFDsoftware.Andsomeanalyseshavebeenmade,suchasthedimensionalflowu

3、nilbrmitiesandturbulencelevels.Thevelocityofflowisalsocomparedtothetargetone.Comparedwithmodeltestresults,itisshownthattheresultsofthesimulationarereliable,andthecurrentgenerationsystemisabletosimulatedifferentverticalcurrentprofiles,whichsatisfiesthesimulationrequirementofthedeepwatercurrentintheba

4、sin.Keywords：verticalcurrentprofile;measuringarea;turfxilenceintensity;numericalsimulation近年來，隨著近海油氣資源的日趨減少，油氣資源開發(fā)走向深海，許多新研制的適用于深海作業(yè)的浮式生產(chǎn)處理裝置不斷涌現(xiàn)，例如浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)(FPSO)、單柱式平臺(SPAR)、深水半潛式平臺(Semi-submersionSpar)和張力腿平臺(TLP)等。這些形式各異的深海浮式生產(chǎn)系統(tǒng)成本昂貴,其所處的海洋環(huán)境和地質(zhì)條件惡劣，設計和建造技術(shù)復雜，風險極高，因此須對其在生存和作業(yè)條件等各種海洋環(huán)境條件下的水動力性能、結(jié)構(gòu)響

5、應等特性進行深入的研究。通常在進行工程建設之前,各個公司都會進行模型試驗，以檢驗其安全性到底是否足夠"3】。而海洋深水試驗池正是進行海洋深水工程試驗研究不可或缺的配套基礎研究設施，同時也是發(fā)展海洋高新技術(shù)重要的技術(shù)支撐平臺。深海海流情況較為復雜，不同于淺海海流，其受表面海風和深海洋流等的綜合作用，在不同深度具有不同的流速，會形成不同的垂向流速剖面。海流對深海平臺的立管和系泊系統(tǒng)有較大的直接或間接的作用載荷，對系統(tǒng)的低頻運動特性有一定的影響。并且，深海海流與波浪之間還存在著較強的相互作用，從而影響深海平臺的慢漂力、波浪載荷以及平臺氣隙等性能。因此，開展海洋深水工程模型試驗研究要求，深水

6、試驗池應有能力模擬垂直方向上不同流速剖面的深海海流。上海交通大學設計、建造中的海洋深水試驗池長50m、寬40m,水深可以在010m的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。水池中間還布置有一個直徑5m、深40m的深井，可模擬4000m以上的實際水深,滿足了國內(nèi)外各種深水海洋開發(fā)裝備模型試驗的要求。造流系統(tǒng)在水深方向上，將海洋深水試驗池分為相互獨立的數(shù)層，通過調(diào)節(jié)各層收稿日期:2007-12-27基金項目：上海市科委重大基礎研究課題資助項目(05DJ14001)作者簡介:毛丞弘(1983-),男，上海人，碩士研究生，主要從事海洋工程方面研究。內(nèi)的水流流量，控制其流速，以達到模擬不同垂向流速剖面的目的。同時，根據(jù)海洋工程深水

7、試驗的要求，深水池內(nèi)的水流應該達到均勻流動的狀態(tài)，要求水流盡可能的平穩(wěn)，包括流向穩(wěn)定、紊流小、減少漩渦等擾動因素等1理論基礎在流體為單相、均勻的假設前提下，不可壓縮流體流動的基本控制方程為連續(xù)性方程和RANS方程:也-?；鹨?3P°習廣=-云；+®+P式中為速度分量時均值(I,j=1,2,3);P為壓力時均值;P為流體密度；”為流體運動粘性系數(shù);gi為重力加速度分量；為Reynolds應力項。從形式上看,RANS方程是以時間平均量為未知數(shù)的，但Reynolds應力卻是新的未知數(shù)，從而引出了所謂的封閉問題。為了使方程封閉，各種文獻中提出了各式各樣的湍流模式，企圖把未知的Rey

8、nolds應力與流動的時均值聯(lián)系起來。其中應用最為普遍的方法是Boussinesq仿照分子運動理論所提出的渦粘性假設餌：式中：代為渦粘性系數(shù)，A=為湍動能為Kroneckerdelta函數(shù)。Boussinesq假設主要應用于Spahrt-Allniaras模型、辰模型和k-cu模型等。其中，標準的k-e模型主要基于湍動能和湍動能耗散兩個參數(shù)來描述湍流，被廣泛應用到實際工程的計算中9J0o在此采用的湍流模式就是標準k-模型。2數(shù)值模型根據(jù)上述理論基礎，對海洋深水試驗池進行數(shù)值模擬，調(diào)節(jié)不同垂向分層的水流速度，以實現(xiàn)對不同垂向流速剖面分布的水流模擬。通過建立數(shù)值模型開展CFD計算,研究形成不同流速

9、的垂向速度剖面的控制方法,并對形成各種剖面時深水池試驗區(qū)域內(nèi)水流的流動和變化狀況，包括流速的分布和湍流強度大小等開展研究工作。主要研究海洋深水試驗池所能模擬出的不同垂向流速剖面，以及試驗區(qū)域內(nèi)水流的流動狀況。因此，對深水試驗池的建模從入口端隔層開始，到出口端為止,模擬了各層的進水口、水池在水流方向上的剖面和出水口的設置情況。水池的水流流入在水深方向上分為可獨立控制的數(shù)層，如圖1所示。坐標系的坐標原點位于海洋深水試驗池入口端水面中點處，其正方向滿足右手定則。坐標系的X軸為深水池的縱向長度方向，正方向為水流的流動方向，坐標系的Z軸為垂直向上方向，水池的寬度方向上則為V軸。3數(shù)值模擬結(jié)果及分析對于深

10、海海洋環(huán)境而言,在不同海域以及不同的環(huán)境條件下，會形成各種不同的流速剖面本文中所描述的不同流速的垂向剖面主要是指在水深方向上流速的大小按照一定規(guī)律分布，在水平方向上則為流速均勻的定常流動。相對于深水池水深方向上的其它各層而言，造流系統(tǒng)在靠近水面的第一層具有一定的特殊性，因為水面表層有可能在受到海風等的作用下產(chǎn)生較大的速度。例如,在颶風的影響下墨西哥灣的表層流速最高可至3.03.5m/s左右，在縮尺比為64的模型試驗中，深水池的表層流速需達到0.4m/s左右。同時，表層流速又會對波浪產(chǎn)生一定的影響。因此，根據(jù)海洋深水模型試驗的要求，在水池靠近水面處，應當能夠產(chǎn)生水流速度較高的表面流，同時試驗區(qū)域

11、內(nèi)的流場仍能保持較好的均勻性和湍流度。本文的數(shù)值模擬是對深水試驗池水深10m的范圍內(nèi)開展的，主要模擬了如下典型的流速剖面：1) 均勻垂向流速剖面:以設計流速為目標,調(diào)節(jié)其它層的流量使各層達到同樣的流速，從而產(chǎn)生均勻的流速剖面，此時的流速為0.1mA左右；2) 表層高流速的垂向流速剖面:此時表層的流速約0.4m/s,隨著深度的增加流速迅速減小，較深處的流速接近于0；3) 典型垂向流速剖面：由于真實狀態(tài)下，深水流同時受到表層風浪以及深海洋流的影響，因而流速并不是單純的均勻流或表層流，而是二者的某種組合。在典型的流速垂向剖面中，表層流速較大,隨著水深的增加流速逐漸減小。3.1均勻垂向流速剖面的模擬在

12、均勻垂向流速剖面的模擬中，水流在深水池試驗區(qū)域水深方向上應盡可能達到穩(wěn)定、均勻的狀態(tài)。所謂試驗區(qū)域是指水池中央附近一定長度和寬度的矩形區(qū)域，該區(qū)域是深水池開展海洋深水模型試驗的主要測試區(qū)域。.從圖1的計算模型可以看到，各層之間的隔層并不是水平的，而是以一定的角度向上傾斜。當水流從進水廊道流入時，在隔層范圍內(nèi)也是以一定的角度向上流動。進入水池后，由于慣性作用，在開始的一段距離內(nèi)，水流并不是馬上變?yōu)樗搅鲃?在垂向方向上仍有速度分量，不過其絕對值逐漸減小,進入水池大約5m之后,垂向速度分萩基本減小為零，水流變?yōu)榉€(wěn)定的水平流動，如圖2(a)所示。到圖2(b)中相同水深處水池中央位置時，水流已完全呈水

13、平流動，并且流速大小也基本一致，分布十分均勻。而在出口處，由于出口和入口的位置是一一對應的，表層的水流需要從第一層的出門流出，因此水流的流向會慢慢朝著出口位置偏轉(zhuǎn)。如圖2(c)所示，在靠近出口區(qū)域，水流的均勻性保持的還是比較好，但是流向如前所述已經(jīng)有稍許的偏轉(zhuǎn),不再保持水平。I1.59頸l：43e011護I.lle-01泌59e-0151e-01-一43e-01-35c-0127e-0119e-01lle-0103e-0155e-0275e-02_95e-02=16e-02：36c-0257e-02=：77e-0298e-0218e-0239e-0259e-0296e-0354e-06(c)靠

14、近出口處圖2流場的速度矢量圖Fig.2.Velocityvectorsofthecurrentfield3：98c-'.55e-028.75e-O27.95e-7.16e-(b)水池中央圖3是試驗區(qū)域縱向上不同位置處所形成的均勾流速分布圖。可以清楚地看到.在深水池靠近入流方向處，其垂向流速剖面尚未達到完全均勻分布的狀態(tài)，靠近水面表層的區(qū)域流速較小。這是因為入流端的第一層廊道在水面表層下方的一定距離處，水流流動時由于黏性作用而帶動表層的水流一起流動，因此表層流速并未達到平均值。但隨著水流的流動，水流能量在試驗區(qū)域中央已達到均勻擴散，從而較好的實現(xiàn)對均勻流速剖面的模擬。因此，深水池中央的試

15、驗區(qū)域以及靠近去流方向的區(qū)域內(nèi)，可以形成較為均勻的垂向流速剖面。從圖中也可以發(fā)現(xiàn)，在水池中央，靠近底部的范圍內(nèi)流速也有所減小，只是變化程度沒有表層區(qū)域大。其原因在于底部為假底,其表面不可能是完全光滑的，存在著一定的摩擦阻力，因此附近的水流流速也會有所下降。圖4為計算所得到的深水試驗池在縱向X軸方向上的湍流強度變化曲線。由圖可知，由于初始流速較大，水流未達到穩(wěn)定的狀態(tài)，此時擾動較大,因此在深水池入流端的湍流強度還處在一個相對較高的水平。但隨著水流的流動與擴散，流場的湍流強度會迅速減小。當水流到達試驗區(qū)域肘，流場的湍流強度已減小到3%以下。并且隨著水流流動，湍流強度還將繼續(xù)減小,直至逐漸趨于一個穩(wěn)

16、定值。由此可見,當深水池內(nèi)流速較低時，試驗區(qū)域內(nèi)流場的湍流強度完全可以達到海洋深水模型試驗4%以下的要求。0.0'波速/(ms。圖3均勻流速時的垂向流速分布Fig.3Verticalflowuniformitiesaiuniformityspeed圖4深水池縱向方向上的湍流強度分布Fig.4Turbulenceintensitiesinlongitudinaldirectionatuniformityspeed模擬均勻垂向流速剖面時,在水池的試驗區(qū)域內(nèi)，流速大小在橫向方向上的分布是比較均勻的,符合試驗的要求。而在垂向方向上，水流流速的分布相對偏差也是較小的，在允許范圍

17、之內(nèi)，能滿足試驗要求。相對于靠近入流端而言，水池中央和去流端則體現(xiàn)出更好的均勻性。再考慮到湍流強度在縱向方向上是隨著水流的流動而逐漸減小，因此在條件許可的情況下，應將試驗區(qū)域適當向去流端移動，或盡量在試驗區(qū)域靠近去流方向的區(qū)域內(nèi)進行深水模型試驗。這樣,深水池試驗區(qū)域內(nèi)所模擬的海流才更接近目標值，并且其湍流強度以及各個方向上的均勻性也較為理想。3.2表層高流速的垂向流速剖面模擬圖5是表層高流速條件下，不同位置處垂向上所形成的流速剖面圖。從圖中可以直觀地看出，表層高流速的垂向流速剖面中，表層的流速接近于0.4ni/s.并且在I.5m水深左右的范圍內(nèi)基本保持不變，流速保持較好。流速在水深1.56.0

18、m的范圍內(nèi)下降較快,而更深處的水因為完全是靠著敲性作用由上層的流動帶動，因此速度接近于0。從圖中亦可以發(fā)現(xiàn)，在深水池靠近來流方向的區(qū)域內(nèi)，因為靠近進水口，水流并未得到很好的擴散，因此表層流速分布并不理想。但隨著水流的流動，水流能量得到繼續(xù)擴散，從而使得流速反化減小，在垂向方向上流速變化逐漸均勻，表層流速達到最大。因此，在試驗區(qū)域中央以及去流方向區(qū)域?qū)α鞯牧鲃訝顩r比較穩(wěn)定，符合試驗要求。圖6為表層高流速時深水池縱向X軸方向上的湍流強度值。從圖中可看出，在深水池入流端,湍流弓度值超過8%,幾乎為均勻垂向流速剖面入口端的2倍之多。雖然隨著水流的流動湍流強度持續(xù)減小，但：由于其初始的湍流強度絕對值相對

19、較大，使得水流需要流經(jīng)較長的距離才可達到均勻擴散,實現(xiàn)穩(wěn)定流舌因此一直到深水池縱向位置20m之后才穩(wěn)定在試驗要求的4%以下，而且最終的穩(wěn)定值也較高.達到3.5左右。-8靠近入口處-0水池中央再近出口處0.0流速/(ms')IS2535深水池縱向距離/tn圖5表層高流速時的垂向流速分布圖6縱向方向上的湍流強度分布Fig.5VerticalflowuniformitiesathighdurfacespeedFig.6Turbulenceintensitiesinlongitudinaldirection因此，模擬表層高流速的垂向流速剖面時,在垂向方向上，深水試驗池內(nèi)入流端

20、方向區(qū)域、水池中央和去流方向區(qū)域的流速剖面并不是完全一致，還是存在這細微的差別。主要是因為來流方向比較靠近入口處，水流并未得到充分地發(fā)展與擴散，因此還沒有達到穩(wěn)定的狀態(tài)。相對于入流方向區(qū)域，中央的試驗區(qū)域和去流端的穩(wěn)定性則更為理想。3.3典型垂向流速剖面的模擬在典型的垂向流速剖面中，深水池的表層流速較大，沿著垂向方向逐漸減小，在水深達到6m之后，流速基本維持在0.1m/s不變。圖7為典型流速剖面時的垂向流速分布圖，與圖5比較可以得到同表層高流速的垂向流速剖面相似的結(jié)論。在深水池入流端，水流并未得到完全的擴散，表層流速也并未達到穩(wěn)定值。而到了水池中央試驗區(qū)域以及去流端區(qū)域,水流流動了一段較長的距

21、離，能最得到充分擴散，流動狀況趨于穩(wěn)定。因此，在進行模型試驗時，試驗區(qū)域應盡可能向去流方向移動一些，以保證水流在深水池內(nèi)得到充分的擴散和發(fā)展，提高模擬垂向流速剖面與目標剖面吻合程度。典型垂向流速剖面時深水池內(nèi)縱向X軸方向上的湍流強度值如圖8所示。與圖4和圖6比較可知，入流端的湍流強度是隨著表層流速的增大而增大的，此時的入流端湍流強度值在7%左右。隨著縱向距離的增加,湍流強度值逐漸減小，在X軸距離為15m處湍流強度已基本減小到試驗要求的4%以下。而在縱向距離超過30m之后,雖然湍流強度仍在緩慢減小，但其變化程度甚微，最終穩(wěn)定在2.3%上下。因此,在典型垂向流速剖面中水池中央以及去流方向區(qū)域內(nèi)的湍

22、流強度滿足試驗要求，模型試驗時應將試驗區(qū)域盡可能布置在靠近去流端。-100.0流速/(ms*)0.4642()、燹*港蔬QI_1一-L-1_七-A一AA_A1515253545深水池縱向距«/m圖7典型流速削面時的垂向流速分布Fig.7Verticalflowuniformitiesoftypicalcurrentprofile圖7典型流速削面時的垂向流速分布Fig.7Verticalflowuniformitiesoftypicalcurrentprofile圖8縱向方向上的溫流強度分布Fig.8Turbulenceintensitiesinthebasininl

23、ongitudinaldirection4模型試驗為了對CFD數(shù)值模擬和計算的結(jié)果進行比較,對造流系統(tǒng)進行了物理模型試驗。試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行,模型縮尺比為1：10,試驗裝置如圖9所示。圖9深水池物理試驗模型Fig.9ModeloftheDeepwaterBasin我們進行了一系列的模型試驗模擬，包括均勻的和表層高流速的垂向流速剖而在內(nèi)的不同剖面，以驗證所模擬的海流狀況是否與目標值相吻合，深水試驗池能否根據(jù)需要準確地造出不同流速剖面。試驗結(jié)果表明,在縱向和橫向方向上，流速的均勻性得到了保證，垂向方向上則與目標值有少量的誤差。并且，模型試驗結(jié)果與計算結(jié)果也比較相似.在試驗

24、區(qū)域中央以及去流方向區(qū)域，測量值與目標值的吻合度更高。模型試驗對垂向流速剖面的模擬是在全水深范圍內(nèi)進行的。圖10給出了模型試驗測量所得到的垂向流速剖面與目標值的比較結(jié)果。由圖中可以看到，在水池試驗區(qū)域內(nèi),其垂向流速剖面與目標值吻合較好，可以得到較為滿意的分層流速剖面，并且流速的平均值穩(wěn)定在0.1m/s以上。因此，可以認為在垂向方向上，深水造流系統(tǒng)能夠按照要求較為準確地模擬出目標流速剖面，模擬結(jié)果可以滿足海洋深水模型試驗的要求,并旦測最到的湍流強度也符合試驗要求。流速Z(m.s')0.0流速/(ms')流速/(ms')(c)靠近出口處圖10垂向分層流速剖

25、面的試驗結(jié)果Fig.10Measuredverticalcurrentprofileinmeasuringarea物理模型試驗測量的結(jié)果與數(shù)值計算所得到的結(jié)果吻合較好。物理模型試驗為數(shù)值計算提供了可靠的驗證,并為海洋深水試驗池的設計與施工提供了很好的支持與參考。5結(jié)語通過對深水試驗池三種不同垂向流速剖面的模擬計算和流場分析，可以得到以下一些結(jié)論：1) 深水池造流系統(tǒng)能夠根據(jù)試驗要求.通過調(diào)節(jié)各層的流量,較為準確地模擬出不同垂向流速剖面的深海海流。2) 對于模擬的三種流速剖面,在縱向的不同位置處，試驗區(qū)域流場的垂向均勻性有所不同°在入流端,垂向流速剖面并未達到穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著水流的流動

26、，到水池中央試驗區(qū)域以及去流方向區(qū)域，流速剖面逐漸改善，趨于穩(wěn)定。3) 湍流強度隨著水流的流動與擴散逐漸減小，即沿著X軸的正向不斷減小，并最終趨于一個穩(wěn)定值。深水池流場在均勻和典型垂向流速剖面的情況下，其湍流強度值仍較快地減小到海洋深水試驗所要求的4%0而在表層高流速時，隨著表層流速進一步增大，擾動較大，湍流強度也整體上升,直到深水池中央附近才能滿足模型試驗要求。4) 綜合考慮水流在各個方向上與目標值的吻合程度以及湍流強度的大小，在做模型試驗時應將試撿區(qū)域布置在水池中央或靠近水池出流端的附近，使模擬的流速剖面更為理想。如果需要擴大試驗區(qū)域至入流段附近，需要在水池入流處采取相應的措施，以改善水流的垂向分布和湍流強度。5) 物理模型試撿測房的結(jié)果與數(shù)值計算以及目標值吻合較好,表明數(shù)值模擬計算的結(jié)果是可靠的，可以作為海洋深水試驗池模擬海洋流速的參考。深水造流系統(tǒng)對不同的垂向流速剖面進行數(shù)值模擬計算，重點分析了深水池垂向上流速的分布情況。通過對水池內(nèi)流場空間方向上流速的均勻性、垂向方向流速剖面與