梯度风作用下HYSY-981半潜式平台风载荷与表面风压分布研究＊

朱 航马 哲谢 彬翟刚军欧进萍,

(1.哈尔滨工业大学土木工程学院; 2.大连理工大学土木水利学院; 3.中海油研究总院)

梯度风作用下HYSY-981半潜式平台风载荷与表面风压分布研究＊

朱 航1马 哲2谢 彬3翟刚军3欧进萍1,2

(1.哈尔滨工业大学土木工程学院; 2.大连理工大学土木水利学院; 3.中海油研究总院)

针对我国最新建造的HYSY-981半潜式平台,分别采用风洞实验和数值模拟方法研究了稳态梯度风下0～90°风向角工况时平台整体风载荷与表面风压分布规律。平台的风洞实验包括测压与测力实验。通过测压实验得到了平台表面的风压分布和各构件的形状系数,并由此得到了平台的整体风载荷;通过测力实验得到了平台在无偏转和偏转10°时的整体风载荷,并通过实验结果的对比研究了平台偏转及井架孔隙对平台整体风载荷的影响。平台风载荷的数值模拟结果与风洞实验结果基本吻合。

HYSY-981半潜式平台 风载荷 表面风压分布 风洞实验 数值模拟

目前国内外研究海洋平台风载荷的方法主要有现场观测、数值模似和风洞实验等3种,由于现场观测较为困难,数值模拟与风洞实验便成为研究者确定海洋结构风载荷的主要方法[1-2]。与数值模拟方法计算风载荷相比,风洞实验方法所测结果更为精确,但由于风洞实验方法更耗时耗资,因此关于海洋结构风洞实验的文献较少。Lee TS[3]通过风洞实验测量了比尺为1:218的海洋平台模型上的风载荷,其中模型上布置了141个压力传感器,实验风速用热线风速仪测量而得;Chen Q[4-5]通过风洞实验测量了海洋平台直升机甲板模型表面的风压分布。根据我国最新建造的 HYSY-981半潜式平台,制作了1:100的有机玻璃模型和1:150的金属模型,分别进行了测压实验与测力实验。通过测压实验,得到了平台各构件在不同风向角情况下的形状系数和风压分布规律;通过测力实验,研究了井架孔隙和平台偏转对平台整体风载荷的影响,研究结果可为平台设计提供参考。

1 HYSY-981半潜式平台简介

图1 HYSY-981半潜式平台模型

HYSY-981半潜式平台为第六代深水半潜式钻井平台,其结构如图1所示。平台采用DPS-3动力定位,作业水深3 000m,具有智能化钻井功能。平台主体部分可分为立柱、甲板和井架3部分,甲板为长、宽、高分别为74.42、74.42、8.62m的箱体,关于x轴和y轴均为对称;立柱长宽均为17.385m,不考虑平台倾角时立柱水面上高度为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;井架可分为上部与下部,下部为长、宽、高分别为17、17、42m的长方体,上部为高22m的尖劈。

2 HYSY-981半潜式平台风洞实验

2.1 模型制备与实验准备

平台风洞实验包括测压实验与测力实验两部分。图2和图3分别是测压实验和测力实验的平台模型。表1为平台模型测压实验和测力实验相关信息。

表1 平台模型测压实验和测力实验相关信息

测压实验的模型具有足够的强度和刚度,在实验风速下不会发生变形,也不会出现明显的振动现象,可以保证压力测量的精度。考虑到实际建筑物的大小和周边环境,并为了保证实验风场的通畅,模型的几何比尺为1:100。测力实验的模型可承受较高风速,在实验允许的范围内可真实模拟海上风场情况,模型的几何比尺为1:150。

2.2 风洞实验

2.2.1 风速与风向设置

在实验段入口处,设置涡流发生器(三角形尖劈)、粗糙元块等装置,均匀流经过以上装置后涡流损失将随高度变化,由此实现流速随高度变化;调整上述装置的尺寸及相对距离,使模型区达到需要的风剖面,由于实验设定平台处于自存工况,风速剖面指数调整为1/10;设定整体坐标系中风向为 x轴正方向,风洞下壁面平面内垂直于 x轴方向为y轴方向,垂直于风洞下壁面向上为z轴方向,坐标系原点为平台底面形心。

2.2.2 实验结果的获取

实验时,平台置于转盘之上。风向角的定义如图4所示:当风向正对平台的船首方向时,风向角定义为0°,其余各工况的风向角变化间隔为15°,按顺时针方向递增。

图4 实验模型方位及风向角示意图

(1)测压实验结果 在模拟湍流度的风场中,用电子扫描阀及数据采集系统记录一个时段内的各测点压力时程并对压力时程进行统计分析,从而得出风压系数、点体型系数、分块体型系数及不同重现期压力的平均值、最小值、最大值以及均方根值。由相似原理可知,模型的无量纲参数与实物的无量纲参数一致,因此模型上各测点的风压系数即为实物对应点的风压系数。

(2)测力实验结果 在模拟均匀流的风场中,用六分量测力天平直接测得实验风速下每个工况时平台六个维度的风载荷及风倾力矩,然后通过比尺关系,换算得到实物的风载荷及风倾力矩。

3 平台风载荷的数值模拟

利用Fluent软件进行模拟计算,对数值模型及计算原理说明如下。

3.1 数值模型

数值模型与实际平台略有差别:略去了实物中的细小结构,以及对气动力与水动力影响不大的构件;甲板简化为规则箱体,忽略上面细部结构与设备的影响。为研究井架孔隙对平台风载荷的影响,井架的数值模型分为不镂空模型与镂空模型(图5)2种。

图5 平台的数值模型

3.2 控制方程与湍流模型

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N-S方程,基于雷诺平均的控制方程[6]可写为

式(1)和(2)中:i、j=1,2,3;空气密度ρ=1.225 kg/m3;动力粘性系数μ=1.789 4×10-5kg/(m·s)。

计算中湍流模型采用剪切应力运输模型,即sst k-ω湍流模型。该模型是Menter对Wilcox提出的简单k-ω湍流模型的改进,综合了 k-ω模型在近壁区计算和在远场计算的优点。

sstk-ω模型[7]可写为

式(3)和(4)中:k为湍流动能;ω为湍流耗散率;G～k为由平均速度梯度所产生的 k;Gω为产生的ω;Γk、Γω分别为k和ω的有效扩散率项;Yk、Yω分别为 k和ω的耗散项;Sk和 Sw均为用户自定义的源项; Dω为横向耗散导数项。式中各项的具体计算公式参照文献[8]。

风载荷的计算采用三维稳态隐式解法,离散方法为二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法。定义来流风方向为 x正向,计算域尺度长、宽、高分别为2 000、800、500m,建筑物置于流域沿流向前1/3处。

3.3 边界条件的设定

平台风载荷数值计算中边界条件设定如下。(1)进流面设定为速度入口边界条件,风速大小沿高度的分布函数为

式(5)中:h为平台某处距海平面的高度;vh为距海平面高度为 h处的风速,v10为距海平面10m高度处的风速;

(2)出流面设定为压力出口边界条件;

(3)流域顶部和两侧设定为对称边界条件,等价于自由滑移的界面;

(4)建筑物表面和地面设定为无滑移壁面条件。

4 实验数据处理与分析

4.1 平台各构件的形状系数及风载荷

图6示出了实验测得的0～90°风向角情况下平台甲板、立柱和井架等3个局部构件的形状系数。由于不同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风向角的变化呈现不规则变化。当风向角为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[9]上规定的形状系数未考虑风向角的影响,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。对比可知,实验所得的各构件的形状系数更为真实,且其最大值比理论规定值偏大。

图6 不同风向角情况下平台各构件的形状系数

图7所示为百年重现期南海热带飓风海况下平台在0～90°风向角时各局部构件的风载荷极值,此时距海平面10m高处1min平均风速值为55m/s。

图7 不同风向角情况下平台各构件风载荷极值

图7的计算结果表明,平台各局部构件的风载荷随风向角的变化呈现着相同的变化规律,当风向角为45°时,平台各局部构件的风载荷均达到最大值。

4.2 井架表面风压分布研究

井架上高度为h的点,其风压力系数Cph的计算公式[10]为

式(6)中:ρ为空气的密度;p为该点的风压;vh定义同前。

为研究梯度风对井架表面各点的风压,本文采用相对风压力系数概念,定义相对风压力系数 Cp10的计算公式为

式(7)中:ρ、p、v10等参数定义同前。

限于篇幅,本文只取 0°风向角情况进行分析。图8示出了井架迎风面上相对风压力系数平均值的数值模拟结果(图8a)与实验测量结果(图8b);由于测点较密集,其测值无法全部在图中列出,仅列出了部分点的测量结果。对比图8a和图8b可知,数值模拟结果与实验结果有着相同的趋势:迎风面上相对风压力系数平均值基本为正值;在迎风面的中心区域及底部区域,相对风压力系数平均值较大,且这两个区域平均风压力系数的数值模拟结果与实验结果基本相同,均为1.40左右;以这两个区域为中心,相对风压力系数平均值向四周递减,边缘处风压力系数平均值接近于0。

图8 井架迎风面上相对风压力系数平均值模拟结果(a)与实验结果(b)的比较

4.3 井架孔隙对平台整体风载荷实验结果的影响

图9示出了0～90°风向角工况下,考虑井架孔隙和不考虑井架孔隙两种平台模型整体风载荷的数值模拟结果和风洞实验结果。从图9可以看出,不论是实验结果还是数值模拟结果,不考虑井架孔隙的风载荷都比考虑井架孔隙的风载荷偏大,相同风向角工况下数值模拟结果的最大偏差为30%,实验结果的最大偏差为35%。对比图9所示4种结果,风载荷的两种数值模拟结果与风洞测压实验结果在随着风向角变化时呈现出基本相同的变化规律,当风向角为45°时,三者的风载荷达到最大值;而风洞的测力实验结果在风向角为60°达到最大值,其原因为测力实验模型考虑了平台甲板上吊车悬臂的影响,使得平台在该角度的迎风面积增大。

图9 井架孔隙对平台整体风载荷的影响

4.4 平台偏转对整体风载荷的影响

当平台发生偏转运动(纵摇或横摇)时,甲板的受风面积会随之变化,进而导致平台整体风载荷的变化。为研究平台的偏转运动对平台整体风载荷的影响,图10示出了平台在无偏转运动和偏转达到10°两种工况下的整体风载荷。对比结果表明:两种工况下,平台整体风载荷的峰值位置均出现在风向角为60°的情况下,二者相差近55%。这表明平台的偏转对平台整体风载荷有着很大的影响,在平台设计和实际工程中对这一问题应该给予足够重视。

图10 平台偏转对平台整体风载荷的影响

5 结论

(1)根据风洞测压实验结果,当不考虑平台井架的孔隙时,风向角为45°时平台各局部构件的风载荷均达到最大值。

(2)根据风洞测压实验结果,在风向角为0°的工况下,平台井架迎风面上相对风压力系数平均值基本为正值,并在底部中心靠近甲板处和整个迎风面形心处较大,以此两处为中心其数值向四周递减,边缘处平均风压力系数值接近于0。

(3)不考虑井架孔隙的风载荷比考虑井架孔隙的风载荷偏大,相同风向角工况下数值模拟结果的最大偏差为30%,实验结果的最大偏差为35%。

(4)平台偏转对风载荷影响非常大。当风向角为60°,平台偏转10°时,与无倾角工况相比,平台的整体风载荷增大了55%。

[1] ISKENDER SAHIN.A survey on semisubmersible wind loads [J].Ocean Engineering,1985,12(3):253-261.

[2] DAVENPORT A G,HAMBL Y E C.Turbulent wind loading and dynamic response of jackup platform[C].OTC4824,1984.

[3] LEE TS,LOW HT.Wind effects on offshore platforms:a wind tunnel model study[C].ISOPE466-470,1993.

[4] CHEN Q,GU Z F,SUN T F,et al.Wind environment over the Helideck of an offshore platform[J].Journal of Wind Engng Ind Aerodyn,1995,54-55:621-631.

[5] CHEN Q,GU Z F,SUN T F,et al.A wind-tunnel study of wind loads on offshore platform[C].In.Proc.5th Nat.Symp. on Wind effect on structures,1993,7-11.

[6] VERESTEEG H K,MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics:The finite volume method [M].NewYork,1995.

[7] MENTER F R.Multiscale model for turbulent flows[C].In 24th Fluid Dynamics Conference.American Institute of Aeronautics and Astronautics,1993.

[8] 王瑞金,张凯,王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

[9] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[M].北京:人民交通出版社,2005.

[10] 罗福午,杨军.建筑结构-分析方法及其设计应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

(编辑:叶秋敏)

Abstract:The paper presents numerical simulation and wind tunnel test investigations of wind loads and wind pressure distribution acting on HYSY-981semi-submersible platform in gradient wind field.The wind tunnel test includes pressure test and force test.The wind pressure distribution on platform surface and shape factors for each component are obtained by wind pressure test,and then the whole wind loads are got.The whole wind loads on the platform with no deflection and ten degree deflection are obtained by force test,and the impact of platform deflection and derrick air space on the whole wind load was studied through comparison ofthe testresults. Thenumerical stimulation results of platform wind loads show good agreement with those of the wind tunnel test.

Key words:HYSY-981semi-submersible platform; wind loads;distribution of surface wind pressure; wind tunnel test;numerical simulation

Wind loads and wind pressure distribution acting on HYSY-981 semi-submersible platform
in gradient wind field

Zhu Hang1Ma Zhe2Xie Bin3Zhai Gangjun2Ou Jinping1,2
(1.School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin,150090;
2.School of Civil&Hydraulic Engineering, Dalian University ofTechnology,Dalian,116023;
3.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

2009-12-19 改回日期:2010-03-10

＊国家“863”高技术研究发展计划项目(2006AA09A103)部分成果。

朱航,男,哈尔滨工业大学土木工程学院在读博士研究生,主要从事深水平台设计与研究工作。E-mail:zhuhang@student. dlut.edu.cn。