hysy-981半潜式平台风载荷研究

hysy-981半潜式平台风载荷研究

目前，国内外对海洋平台风荷载的一般方法主要包括现场观测、数值模拟和风场实验。对深水平台风载荷的研究始于20世纪80年代。我国深水工程起步较晚,缺少深水环境时海洋平台的风载荷的现场观测数据,因此,对海洋平台风载荷问题的研究仍以数值模拟和风洞实验为主。我国即将建造的深水平台HYSY-981,上部甲板多集成生产、生活等多种功能,空间利用率高,但平台在不同入射风向角作用下的抗风特性复杂。文中分别用数值模拟和风洞实验的方法对HYSY-981平台深水半潜式钻井平台稳态梯度风作用下的抗风特性进行研究。1平台模型的构建和趋势的选择1.1平台数值模型HYSY-981为国际第6代深水半潜式钻井平台,其主体包括2个浮体,4个立柱和1个封闭的甲板。平台采用DPS-3动力定位,作业水深3000m。参照HYSY-981平台设计平台数值模型,数值模型主要参数为:甲板(长×宽×高)74.42m×74.42m×8.60m立柱17.385m×17.385m×21.460m浮体114.07m×20.12m×8.54m井架66m数值模型与实际平台略有差别。实物中的细小结构及对气动力与水动力影响不大的构件均已略去;甲板简化为规则箱体,忽略上面细部结构与设备的影响;考虑风墙的遮挡与钻头的填充,数值模型忽略钻井塔孔隙率的影响。1.2内的风况针对3000m水深海况进行计算。海域内的风况见表1。研究平台的自存工况,此时平台吃水16m,按规范要求取百年重现期3s平均风速进行平台风载荷的极值计算。2平台风负荷值模拟2.1风载荷计算方法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可写为:∂∂xi(ρui)=0i=1,2,3(1)∂∂xi(ρui)=0i=1,2,3(1)式中:ρ——空气的密度,ρ=1.225kg/m3;μ——动力粘性系数,μ=1.7894×10-5kg/(m·s)。计算过程中的湍流模型采用剪切应力运输模型,即sstk-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模型在近壁区计算的优点和k-ε模型在远场计算的优点。sstk-ω模型可写为:∂(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——湍流动能;ω——湍流耗散率;˜Gk——由平均速度梯度所产生的k;Gω——产生的ω;Γk、Γω——k和ω的有效扩散率项;Yk、Yω——k和ω的耗散项;Sk、Sω——用户自定义的源项;Dω——横向耗散导数项。式中各项的具体计算公式参照文献。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,计算域尺度为2000m×800m×500m,建筑物置于流域沿流向前1/3处。2.2压力出口边界条件1)进流面采用速度入口边界,风速大小沿高度分布函数取为:v=v10⋅(z10)0.125(5)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,等价于自由滑移的界面。4)建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件。3钢结构单回流开口式边界层组合结构实验在大连理工大学DUT-1风洞中完成。DUT-1是一座全钢结构单回流闭口式边界层风洞,风洞气动轮廓长43.8m,宽13.1m,最大高度为6.18m;试验段长18m,横断面宽3.0m,高2.5m,最大设计风速50m/s。3.1旋转偏转模型平台的实验模型与数值模型几何相似,采用有机玻璃材料制作。模型具有足够的强度和刚度,在实验中不会发生明显的变形和振动,保证压力测量的精度。模型比尺为1∶100,与实物在外形上保持几何相似。实验中将模型放置在直径2.0m的转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向;平台模型主尺度为长1.1m、宽0.8m、高1.0m(考虑上部井架),满足边界效应影响。由于实验模型很小,实物中的一些细小结构及对气动力影响不大的构件均已略去。平台甲板及其上部结构与立柱均为非流线型物面,绕流分离点固定,实物与模型在不同雷诺数情况下流动趋于相同,无需考虑雷诺数的影响。3.2模型风剖面的确定在实验段入口处,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,此时考虑平台移动速度的影响,风速剖面指数调整为1/10。设定整体坐标系中入射风方向为x轴正方向,风洞下壁面平面内垂直于x轴方向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。平台关于x轴和y轴均为对称,入射风向角为平台浮体水平方向与x轴正方向的夹角,其变化范围为逆时针0～90°,实验时每隔15°记录平台模型测点的风压时程数据。4结果分析4.1井架、立柱的形状系数平台主体部分可分为立柱,甲板,井架三部分,实验测定各部分在不同风向角下的形状系数,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。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。对比文献,实验所得的各构件的形状系数更为真实,且各构件形状系数的最大值比文献规定值略偏大。为了进一步研究不同入射风向角情况下平台风载荷的规律,下面比较在百年重现期南海热带飓风海况下,平台各局部构件所受的风载荷。4.2射风向角时甲醇、立柱和井架上的风荷载图2列出了在百年重现期南海热带飓风海况下,平台在0～90°入射风向角时甲板、立柱和井架上的风载荷。图2的计算结果表明,平台各局部构件的风载荷随入射风向角的变化,呈现着相同的变化规律,当入射风向角为45°时,平台各局部构件的风载荷均达到最大值。4.3高功率计算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3的计算结果表明:平台整体风载荷的数值计算结果与风洞实验结果趋势一致,二者均在入射风向角为45°时达到最大值。当入射风向角为45°时,数值计算结果偏小,偏差约为10%,其余风向角情况下二者基本吻合。数值计算结果的精度可以达到工程应用要求。4.4平台与水面倾角由于平台在30～60°入射风向角时风载荷较大,分别以30°、45°、60°入射风向角为例,通过数值计算方法,研究平台与水面倾角对平台整体风载荷的影响。设定以平台迎风处向下倾斜为负倾角,向上倾斜为正倾角。在百年重现期南海热带飓风海况下,平台与水面倾角为-15～15°时平台整体风载荷的变化规律见图4。图4的计算结果表明,倾角对平台的风载荷有一定影响。以风向角为30°时的情况为例,其最大值与最小值相差为15%。各风向角工况均在平台与水面倾角为15°时,平台的风载荷达到最大值。其最大值与倾角为0°时的平台的风载荷相比,30°、45°、60°入射风向角工况下风载荷分别增大了7.23%、6.14%、9.26%。5入射风向角对风载荷的影响1)通过风洞实验得到的平台在不同入射风向角下各构件的形状系数更为精确,且最大值比文献规定取值略为偏大。2)平台各局部构件上的风载荷随入射