強臺風下導管架平臺風載荷數值仿真分析＊

陳維杰 陳國明 朱本瑞 暢元江

（中國石油大學（華東）機電工程學院）

風災是自然災害中影響最大的一種。近年來登陸我國南海海域的臺風出現了強度大、影響大、災害重的特征，對該海域海洋石油平臺造成極大影響。2006年臺風“珍珠”襲擊流花11-1油田，導致該油田作業的南海“勝利號”FPSO有7根錨鏈被颶風刮斷，3根軟管斷裂，油艙破裂，每天損失高達1000多萬元。2009年臺風“巨爵”襲擊惠州21-1氣田，造成部分生產設施受損，被迫停止生產。臺風帶來的極端風載是導致海洋平臺失效的主要因素之一，其與極端波浪載荷的聯合作用可使平臺整體傾覆［1-2］。因此，開展臺風風載荷對導管架平臺的影響研究很有必要。

目前確定風載荷的主要方法有風洞試驗、現場實測和數值模擬等，但國內外對海洋平臺受強臺風影響的研究較少。筆者利用計算流體動力CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，基于Fluent軟件，以南海中西部海域某帶有鉆井模塊的導管架平臺為算例，建立相應的CFD模型，采用RNGk-ε湍流模型［3］對平臺周圍風場進行了數值模擬與計算，為海洋平臺的設計與極限承載評估提供了有力依據，同時也為研究海洋石油平臺抗臺風工程開辟了新途徑。

1 風流場數值模擬控制方程

本文采用以雷諾時均N-S方程為基礎的RNGk-ε湍流模型來模擬平臺周圍繞流三維流場。RNGk-ε模型和標準k-ε模型相似，但在以下幾點做了改進：①RNGk-ε模型在ε方程中增加了耗散損失條件，有效地提高了精度；②考慮了湍流漩渦；③RNG理論為湍流Prandtl數提供了一個解析公式，而標準k-ε模型使用的是常數；④標準k-ε模型是一種高雷諾數的模型，而RNG理論則提供了一個考慮低雷諾數流動粘性的解析公式。基于這些特點，使得RNGk-ε模型比標準k-ε模型具有更高的可靠度與精度。其基本控制方程為

連續性方程

動量方程

湍流脈動方程

湍流耗散率方程

式（1）～（4）中：u為流體速度；ρ、p分別表示空氣的密度和壓力；η為分子粘度；ηt為湍流粘度，ηt=，其中cμ為常數，k、ε分別為湍動能和湍動能耗散率；i、j、n=1、2、3，分別表示沿x、y、z軸方向上的分量；c1、c2為常數；σk、σε分別表示k方程和ε方程的湍流Prandtl數。

2 計算模型與算法設計

2.1 幾何模型建立及網格劃分

海洋導管架平臺模型如圖1所示。本文主要對平臺甲板、井架、起重機、生活區、樁腿和隔水管等主要模塊進行風載荷數值模擬，因此在建模過程中忽略平臺內部結構并對其進行基本簡化，省略人員通道、護欄、通風口等結構和設備。平臺模型由PRO／E建立，然后導入Fluent軟件前處理器Gambit進行網格劃分。為避免邊界對平臺周圍流場產生影響，本文采用較大模擬計算空間，計算流域取為688m×319m×408m。取8種不同風向角作為計算工況（圖2），以便較全面地反映平臺在不同風向下的風載荷特性。

在劃分網格時，先對計算流域四周及頂部邊界面用四邊形單元進行離散，再對海洋平臺外表面用三角形單元進行離散，然后由邊界面和平臺外表面向中間流域生成非結構化空間網格［4］。在計算流域內，靠近平臺外表面處生成較密集的網格，而遠離平臺外表面處生成較稀疏的網格。綜合考慮計算精度和計算量因素，得到體網格單元110萬個左右。

2.2 模擬條件設置

采用RNGk-ε湍流模型對控制方程采用有限體積法進行離散，離散格式采用二階迎風格式；為了防止迭代過程發散和數值不穩定，對動量方程、標量輸運方程采用了欠松弛技術；壓力速度耦合采用SIMPLE 算法［5］。

（1）入口邊界：風速剖面呈指數規律分布，即vh=v10（h／10）α，其中vh為距離海平面h高度處風速；v10為海平面以上10m高度處風速，取該海域百年一遇1min內平均最大風速v10=43.6m／s；h為距離海平面高度；α為地面粗糙度指數，本文取0.124［6］。平均風速剖面采用Fluent提供的UDF（User-Defined Functions）編程與 Fluent作接口實現。

（2）出口邊界：由于出流接近完全發展，出口壓力不可預知，故采用完全發展出流邊界條件。

（3）流域頂部和兩側邊界：由于本文選取的計算流域較大，故頂部和兩側采用對稱邊界條件，相當于自由滑移的壁面。

（4）平臺外表面和海平面：采用無滑移的壁面條件。

圖3 0°風向角工況下導管架平臺表面壓力等值線云圖

3 風載荷數值模擬結果分析

3.1 三維流場模擬結果分析

圖3為0°風向角工況下導管架平臺表面壓力云圖。圖中數據顯示最大正壓出現在平臺的迎風面，并用紅色顯示；最大負壓出現在平臺側面，如起重機和樁腿兩側，并用藍色顯示。隨著顏色從紅變藍，壓力值逐漸減小。其余工況類似。

圖4、5為0°風向角工況下導管架平臺縱橫截面速度矢量圖。由圖中可以看出，在平臺迎風拐角處風的流動極為復雜，充滿著沖撞、分流、渦旋、環繞和回流；在平臺背風面形成了清晰的漩渦，這些區域不利于污染物的排放；結構越密集的地方氣流流動越復雜，同時結構與結構之間也相互影響周圍氣流的流動。通過分析其余工況速度矢量圖得知，風向和平臺結構的幾何形狀是影響其周圍流場分布的主要因素。

3.2 風載荷結果分析

在前處理器Gambit中定義邊界條件時，將平臺甲板、井架、起重機、生活區、樁腿和隔水管等各組塊的表面分別定義為單獨一組固壁，經Fluent模擬計算后即可提取各組塊所受風載荷報告。圖6～11為導管架平臺各組塊在不同風向角工況下所受的風載荷曲線。風載荷主要由壓力和粘性力2部分組成。

圖11 導管架平臺隔水管所受風載荷變化曲線

分析圖6～11中導管架平臺各組塊所受風載荷變化曲線可知，同一組塊在不同風向角工況下所受風載荷不盡相同。以甲板為例，0°風向角工況下風載荷為501kN；90°風向角工況下風載荷最大，為1 278kN；180°風向角工況下最小，為432kN。此外得知，迎風面面積大小是決定風載荷的主要因素。

不同組塊受力變化規律不同，相鄰組塊間存在相互影響。比較圖6～11可發現，甲板和井架的受力變化規律比較明顯，在0°與180°、45°與315°、90°與270°、135°與225°這4組風向角工況下，風載荷數值相差很小，這主要是因為甲板和井架本身幾何結構具有對稱性，相鄰組塊對其影響很小。其余組塊受力曲線變化不規律的原因主要是由于受相鄰組塊阻擋或干擾較大所引起。分析圖8可知，在0°、180°風向角工況下，起重機風載大小不等，而在這2種風向角工況下起重機迎風面投影面積相同，這說明甲板和生活區使得起重機周圍的風載流場發生變化，從而影響了風載荷的大小，即相鄰組塊之間存在相互影響。另外，不同組塊最大受力風向角不一定相同。如起重機最大受力風向角為90°，生活區最大受力風向角則為225°。因此，研究組塊最大受力風向角意義重大，該風向角工況一般能反映該組塊的承受極限，能夠為組塊設計提供有力依據。

不同組塊所受風載荷對整個海洋平臺的貢獻比重不一樣。以0°風向角工況為例，平臺總風載荷為1 307kN，其中甲板占38%（為501kN），生活區占17%（為219kN），井架占15%（為194kN），隔水管占14%（為190kN），樁腿占11%（為146kN），起重機占5%（為61kN）。通過了解載荷比重，可以有意識地對載荷比重較大的組塊進行結構優化或合理布置，盡可能地減小風的作用。

導管架平臺總風載荷變化曲線如圖12所示，可見平臺在0°和180°風向角工況下受力較小，相對比較安全，其余工況受力較大且基本相同。因此，在設計新平臺或對現有平臺進行極限風載荷評估時，應綜合考慮平臺總風載荷變化曲線與組塊風載變化曲線，結合該區域臺風路徑進行比較分析，確定危險工況，最終考慮對薄弱構件進行加固。

圖12 導管架平臺總風載荷變化曲線

3.3 模擬結果分析

為了驗證風載荷數值模擬的準確性，將模擬結果與現行規范進行比較分析。API規范中導管架平臺風力計算公式為

式（5）中：ρ為空氣密度，N／m3；u為風速，m／s；Cs為形狀系數；A為物體面積，m2。

以導管架平臺甲板受風載荷為例，根據公式（5），形狀系數Cs按API規范中建議值取為1.5，不同風向角工況下甲板風載荷API計算值與模擬值詳細比較情況如圖13所示，可見模擬值與計算值變化規律相似，驗證了模擬結果的準確性。但是，甲板風載荷API規范計算值比模擬值更保守，一方面是由于數字仿真采用了RNGk-ε模型，考慮了臺風風載的湍流特性，這在API公式中沒有體現；另一方面平臺上部組塊相鄰結構物之間的互相干擾，使得風載流場發生沖撞、分流、回流等現象，這在一定程度上降低了風載作用力，而API規范中僅考慮結構物的形狀系數，忽略了結構物之間的相互影響。因此，本文提出的數值模擬方法具有更高的精度，可為海洋石油平臺抗臺風工程領域的應用提供參考。

圖13 導管架平臺不同風向角工況下甲板風載荷模擬值與API計算值比較

4 結論

（1）風向與平臺結構的幾何形狀是影響其周圍流場分布的主要因素，結構物密集區或拐角處風的流動極其復雜，結構物背風面一般形成漩渦。因此，基于CFD的數值模擬方法能夠較好地預測平臺周圍的風環境狀況，對海洋平臺的布局規劃具有一定的應用價值。

（2）最大受力區域通常出現在平臺迎風面上。一般來說，結構物迎風面積與風載荷的大小成正比，同時相鄰組塊間因相互干擾周圍流場分布進而影響受力。因此，在進行平臺設計時，應考慮對迎風面結構進行加固，否則將使結構受風載荷過大引發損傷。

（3）API規范計算值與模擬值相比更趨于保守。API規范中只考慮對受阻擋的結構物使用遮蔽系數，忽略了上下或左右相鄰結構物之間的互相影響，而CFD數值模擬方法可以很好地模擬相鄰結構物相互作用，所計算的風載荷具有更高的精度，進一步補充并完善了API規范。

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