hysy-981半潛式平臺風(fēng)載荷研究

hysy-981半潛式平臺風(fēng)載荷研究

目前，國內(nèi)外對海洋平臺風(fēng)荷載的一般方法主要包括現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬和風(fēng)場實驗。對深水平臺風(fēng)載荷的研究始于20世紀(jì)80年代。我國深水工程起步較晚,缺少深水環(huán)境時海洋平臺的風(fēng)載荷的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),因此,對海洋平臺風(fēng)載荷問題的研究仍以數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗為主。我國即將建造的深水平臺HYSY-981,上部甲板多集成生產(chǎn)、生活等多種功能,空間利用率高,但平臺在不同入射風(fēng)向角作用下的抗風(fēng)特性復(fù)雜。文中分別用數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗的方法對HYSY-981平臺深水半潛式鉆井平臺穩(wěn)態(tài)梯度風(fēng)作用下的抗風(fēng)特性進(jìn)行研究。1平臺模型的構(gòu)建和趨勢的選擇1.1平臺數(shù)值模型HYSY-981為國際第6代深水半潛式鉆井平臺,其主體包括2個浮體,4個立柱和1個封閉的甲板。平臺采用DPS-3動力定位,作業(yè)水深3000m。參照HYSY-981平臺設(shè)計平臺數(shù)值模型,數(shù)值模型主要參數(shù)為:甲板(長×寬×高)74.42m×74.42m×8.60m立柱17.385m×17.385m×21.460m浮體114.07m×20.12m×8.54m井架66m數(shù)值模型與實際平臺略有差別。實物中的細(xì)小結(jié)構(gòu)及對氣動力與水動力影響不大的構(gòu)件均已略去;甲板簡化為規(guī)則箱體,忽略上面細(xì)部結(jié)構(gòu)與設(shè)備的影響;考慮風(fēng)墻的遮擋與鉆頭的填充,數(shù)值模型忽略鉆井塔孔隙率的影響。1.2內(nèi)的風(fēng)況針對3000m水深海況進(jìn)行計算。海域內(nèi)的風(fēng)況見表1。研究平臺的自存工況,此時平臺吃水16m,按規(guī)范要求取百年重現(xiàn)期3s平均風(fēng)速進(jìn)行平臺風(fēng)載荷的極值計算。2平臺風(fēng)負(fù)荷值模擬2.1風(fēng)載荷計算方法由于平臺各局部構(gòu)件均為鈍體,鈍體繞流問題的控制方程為粘性不可壓N-S方程,基于雷諾平均的控制方程可寫為:??xi(ρui)=0i=1,2,3(1)??xi(ρui)=0i=1,2,3(1)式中:ρ——空氣的密度,ρ=1.225kg/m3;μ——動力粘性系數(shù),μ=1.7894×10-5kg/(m·s)。計算過程中的湍流模型采用剪切應(yīng)力運輸模型,即sstk-ω湍流模型。該模型是Menter對Wilcox提出的簡單k-ω湍流模型的改進(jìn),綜合了k-ω模型在近壁區(qū)計算的優(yōu)點和k-ε模型在遠(yuǎn)場計算的優(yōu)點。sstk-ω模型可寫為:?(ρk)?t+??xi(ρkui)=??xj(Γk?k?xj)+?Gk-Yk+Sk(3)?(ρk)?t+??xi(ρkui)=??xj(Γk?k?xj)+G?k?Yk+Sk(3)?(ρw)?t+??xi(ρwui)=??xj(Ρω?w?xj)+Gw-Yω+Dw+sw(4)?(ρw)?t+??xi(ρwui)=??xj(Pω?w?xj)+Gw?Yω+Dw+sw(4)式中:k——湍流動能;ω——湍流耗散率;?Gk——由平均速度梯度所產(chǎn)生的k;Gω——產(chǎn)生的ω;Γk、Γω——k和ω的有效擴(kuò)散率項;Yk、Yω——k和ω的耗散項;Sk、Sω——用戶自定義的源項;Dω——橫向耗散導(dǎo)數(shù)項。式中各項的具體計算公式參照文獻(xiàn)。風(fēng)載荷的計算采用三維穩(wěn)態(tài)隱式解法,離散方法為二階迎風(fēng)格式,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。定義來流風(fēng)方向為x正向,計算域尺度為2000m×800m×500m,建筑物置于流域沿流向前1/3處。2.2壓力出口邊界條件1)進(jìn)流面采用速度入口邊界,風(fēng)速大小沿高度分布函數(shù)取為:v=v10?(z10)0.125(5)2)出流面采用壓力出口邊界條件。3)流域頂部和兩側(cè)采用對稱邊界條件,等價于自由滑移的界面。4)建筑物表面和地面采用無滑移的壁面條件。3鋼結(jié)構(gòu)單回流開口式邊界層組合結(jié)構(gòu)實驗在大連理工大學(xué)DUT-1風(fēng)洞中完成。DUT-1是一座全鋼結(jié)構(gòu)單回流閉口式邊界層風(fēng)洞,風(fēng)洞氣動輪廓長43.8m,寬13.1m,最大高度為6.18m;試驗段長18m,橫斷面寬3.0m,高2.5m,最大設(shè)計風(fēng)速50m/s。3.1旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)模型平臺的實驗?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型幾何相似,采用有機(jī)玻璃材料制作。模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度,在實驗中不會發(fā)生明顯的變形和振動,保證壓力測量的精度。模型比尺為1∶100,與實物在外形上保持幾何相似。實驗中將模型放置在直徑2.0m的轉(zhuǎn)盤中心,通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風(fēng)向;平臺模型主尺度為長1.1m、寬0.8m、高1.0m(考慮上部井架),滿足邊界效應(yīng)影響。由于實驗?zāi)Ｐ秃苄?實物中的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)及對氣動力影響不大的構(gòu)件均已略去。平臺甲板及其上部結(jié)構(gòu)與立柱均為非流線型物面,繞流分離點固定,實物與模型在不同雷諾數(shù)情況下流動趨于相同,無需考慮雷諾數(shù)的影響。3.2模型風(fēng)剖面的確定在實驗段入口處,設(shè)置渦流發(fā)生器(三角形尖劈)、粗糙元塊等裝置,均勻流經(jīng)過以上裝置后渦流損失將隨高度變化,由此實現(xiàn)流速隨高度變化。調(diào)整上述裝置的尺寸及相對距離,使模型區(qū)達(dá)到需要的風(fēng)剖面。由于實驗設(shè)定平臺處于自存工況,此時考慮平臺移動速度的影響,風(fēng)速剖面指數(shù)調(diào)整為1/10。設(shè)定整體坐標(biāo)系中入射風(fēng)方向為x軸正方向,風(fēng)洞下壁面平面內(nèi)垂直于x軸方向y軸方向,垂直于風(fēng)洞下壁面向上為z軸方向,坐標(biāo)系原點為平臺底面形心。平臺關(guān)于x軸和y軸均為對稱,入射風(fēng)向角為平臺浮體水平方向與x軸正方向的夾角,其變化范圍為逆時針0～90°,實驗時每隔15°記錄平臺模型測點的風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)。4結(jié)果分析4.1井架、立柱的形狀系數(shù)平臺主體部分可分為立柱,甲板,井架三部分,實驗測定各部分在不同風(fēng)向角下的形狀系數(shù),以便可以更準(zhǔn)確地計算平臺的風(fēng)載荷。甲板為74.42m×74.42m×8.62m的箱體,關(guān)于x軸和y軸均為對稱;立柱長寬均為17.385m,不考慮平臺傾角時立柱水面上高度為14m,計算時不考慮立柱間的遮蔽效應(yīng),計入立柱全部的投影面積;井架由于形狀的不同,可分為上部與下部,其中,下部為17m×17m×42m的長方體,而上部為高22m的尖體。二者均關(guān)于x軸和y軸對稱,圖1為平臺在0～90°入射風(fēng)向角時各構(gòu)件的形狀系數(shù)。由于不同入射風(fēng)向角情況下各局部構(gòu)件所對應(yīng)的迎風(fēng)面橫截面積不同,平臺各局部構(gòu)件的形狀系數(shù)隨入射角的變化呈現(xiàn)不規(guī)則變化。圖2的實驗結(jié)果表明,當(dāng)入射風(fēng)向角為0°時,井架的頂部與底部、甲板的形狀系數(shù)達(dá)到最大,其值分別為1.334、1.546和1.218。當(dāng)入射風(fēng)向角為60°時,立柱的形狀系數(shù)達(dá)到最大,其值為1.134。而文獻(xiàn)上規(guī)定的形狀系數(shù)未考慮入射風(fēng)向角的影響,對井架、甲板和立柱的形狀系數(shù)規(guī)定的取值分別為1.25、1.10和1.00。對比文獻(xiàn),實驗所得的各構(gòu)件的形狀系數(shù)更為真實,且各構(gòu)件形狀系數(shù)的最大值比文獻(xiàn)規(guī)定值略偏大。為了進(jìn)一步研究不同入射風(fēng)向角情況下平臺風(fēng)載荷的規(guī)律,下面比較在百年重現(xiàn)期南海熱帶颶風(fēng)海況下,平臺各局部構(gòu)件所受的風(fēng)載荷。4.2射風(fēng)向角時甲醇、立柱和井架上的風(fēng)荷載圖2列出了在百年重現(xiàn)期南海熱帶颶風(fēng)海況下,平臺在0～90°入射風(fēng)向角時甲板、立柱和井架上的風(fēng)載荷。圖2的計算結(jié)果表明,平臺各局部構(gòu)件的風(fēng)載荷隨入射風(fēng)向角的變化,呈現(xiàn)著相同的變化規(guī)律,當(dāng)入射風(fēng)向角為45°時,平臺各局部構(gòu)件的風(fēng)載荷均達(dá)到最大值。4.3高功率計算結(jié)果平臺整體風(fēng)載荷由各局部構(gòu)件風(fēng)載荷疊加而得。0～90°入射風(fēng)向角下平臺風(fēng)載荷的風(fēng)洞實驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果見圖3。圖3的計算結(jié)果表明:平臺整體風(fēng)載荷的數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果趨勢一致,二者均在入射風(fēng)向角為45°時達(dá)到最大值。當(dāng)入射風(fēng)向角為45°時,數(shù)值計算結(jié)果偏小,偏差約為10%,其余風(fēng)向角情況下二者基本吻合。數(shù)值計算結(jié)果的精度可以達(dá)到工程應(yīng)用要求。4.4平臺與水面傾角由于平臺在30～60°入射風(fēng)向角時風(fēng)載荷較大,分別以30°、45°、60°入射風(fēng)向角為例,通過數(shù)值計算方法,研究平臺與水面傾角對平臺整體風(fēng)載荷的影響。設(shè)定以平臺迎風(fēng)處向下傾斜為負(fù)傾角,向上傾斜為正傾角。在百年重現(xiàn)期南海熱帶颶風(fēng)海況下,平臺與水面傾角為-15～15°時平臺整體風(fēng)載荷的變化規(guī)律見圖4。圖4的計算結(jié)果表明,傾角對平臺的風(fēng)載荷有一定影響。以風(fēng)向角為30°時的情況為例,其最大值與最小值相差為15%。各風(fēng)向角工況均在平臺與水面傾角為15°時,平臺的風(fēng)載荷達(dá)到最大值。其最大值與傾角為0°時的平臺的風(fēng)載荷相比,30°、45°、60°入射風(fēng)向角工況下風(fēng)載荷分別增大了7.23%、6.14%、9.26%。5入射風(fēng)向角對風(fēng)載荷的影響1)通過風(fēng)洞實驗得到的平臺在不同入射風(fēng)向角下各構(gòu)件的形狀系數(shù)更為精確,且最大值比文獻(xiàn)規(guī)定取值略為偏大。2)平臺各局部構(gòu)件上的風(fēng)載荷隨入射