排煙煙流影響下的海洋平臺氣流場形態仿真

張文國，陸 超

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

海洋平臺多在開闊海域長期工作，易遭遇各種形式的海上氣流變化，而形成不同的氣流場特性。在國內外海洋平臺常規設計流程中，通常都只對平臺進行單一空氣來流成分的風載荷試驗和計算，未考慮煙流條件下平臺整體的氣流場特性。

實際作業中，由于有持續排煙(如發電機組排煙、火炬塔燃燒熱流等)存在，會對海洋平臺甲板面氣流場環境造成如下影響。

首先，如煙流隨來流向作業甲板面擴散，會污染露天工作區域的空氣環境，高溫、高硫氣體也會對表面油氣作業安全造成潛在危害;

其次，如煙流擴散至直升機飛行甲板及周邊區域會造成直升機起降區氣流速度場不均勻，易導致發動機進氣不穩定以及風力切變等情況，不利于航空安全作業［1－2］。

隨著現代海洋平臺深水化、大型化和多功能化，平臺甲板面作業設施更加復雜多樣，以及直升機等裝備的普及應用，受海上環境條件變化造成氣流場潛在安全風險也會增加。

有鑒于此，本文在常規艦船氣流場仿真研究方法的基礎上［3－4］初步考慮排煙煙流與空氣來流的交互作用，進行海洋平臺排煙狀態下的氣流場仿真方法的初步探索，并對仿真計算結果進行初步的對比分析，并總結現有方法的局限和下一步需要展開的工作。

1 計算方法總體思路

本文參考艦船氣流場仿真計算的思路［5］，采用三維建模－網格劃分－ 計算模型選取－ 定義邊界條件－ 仿真結果分析的基本步驟［6－7］展開工作。同時，在建模及計算時考慮本文研究的環境條件特點。

為保證海上作業精度，通常采用系泊或動力定位系統控制相對固定的姿態。在此情況下，平臺的受風姿態是相對固定的，但海上風向隨機可變。因此，為獲得平臺流場較完整的形態，在定義來流方向時，應考慮周向不同角度的來流情況。

本文重點關注的區域是平臺露天各部位以及直升機飛行甲板附近區域，在確定計算域大小時，在保證來流和去流方向空間充足的前提下應選擇適當尺度即可。

由于海洋平臺上層結構較為復雜，各類甲板面設施尺度差異較大，宜選用非結構化網格進行網格劃分，同時對重點區域需進行加密。

Ansys 軟件平臺是目前在流場仿真領域應用較為廣泛的仿真計算平臺［7］，且在艦船仿真中已實際應用并驗證了趨勢和數據的擬合性。

綜合考慮上述因素，本文確定以Ansys 軟件為平臺，建立適當尺度三維計算域，定義煙流和空氣流2 種流體介質，采用非結構化網格進行多風向來流計算的總體思路。

2 建模及網格劃分

本文計算的三維平臺為一種雙浮筒、四立柱半潛式平臺。平臺上層建筑位于主甲板以上，參考平臺布置相關原則［4］對稱分布;2 塊直升機飛行甲板從主甲板后方伸出，按縱向對稱布置;平臺設有4部排煙管，等距對稱分布于2 塊直升機平臺之間，排煙口中軸線向下與水平面呈45°角。平臺主尺度如表1 所示。

表1 平臺主尺度Tab.1 Main dimensions of platform

三維建模及網格劃分在Ansys ICEM 中進行，海洋平臺三維模型如圖1 所示。排煙管分布狀態如圖2 所示。

圖1 海洋平臺三維模型Fig.1 3D Model in ICEM

圖2 排煙管分布狀態Fig.2 Exhaust tubes

本文計算狀態為海洋平臺半潛吃水狀態，因此建模完畢后，需將平臺吃水以下部分刪除，并建立計算域。為保證各方向來流和去流方向均充分流動，本文采用矩形計算域，其中底面及頂面呈正方形，邊長為五倍平臺長度(575 m);側面為矩形，高度約為2 倍平臺高度(50 m)。模型及計算域建立如圖3 所示。

模型及計算域采用非結構化網格劃分，為保證平臺附近的計算精度，對平臺排煙管部分及后方區域的網格尺寸進行加密，網格數量約330萬級。

圖3 計算域建模狀態Fig.3 Calculation box

圖4 排煙管網格加密及添加密度盒Fig.4 Intensify of tunnels and density box

3 湍流模型及邊界條件選取

3.1 湍流模型選取

煙流在來流空氣中的交互作用是較為復雜的問題，且海上實際來流的隨機性強。為便于方法初步探索，保證計算精度，本文采用的是理想化計算條件:

1)來流空氣視為不可壓縮流體，且符合Boussinesq 假設，其密度變化僅對浮力產生影響;

2)排煙煙流視為穩態湍流，暫不計入粘性力做功引起的熱耗散。

在目前已有的湍流計算模型中，兩方程模型在工程中使用最為廣泛，最基本的兩方程模型是標準k -ε 模型［8－9］，是在一方程模型的基礎上，新引入關于湍動耗散率ε 的方程后形成。相比其他湍流模型，kε 模型在仿真計算中應用最廣，且與本文理想化計算條件相適應，因此本論文選用標準k - ε 模型。

在該模型中，湍流中單位質量流體脈動動能的耗散率，對于高雷諾數的各向同性湍流流動中:

假設對單位體積的流體，從較大的渦向較小的渦傳遞能量的速率正比于ρk，而反比于傳遞時間;另外，傳遞時間與湍流長度標尺l 成正比，與湍流脈動速度成反比，于是有:

湍流耗散率為:

與此同時，k 方程式(2)可改寫為:

3.2 邊界條件選取

本文參照艦船空氣流場計算方法定義空氣來流邊界條件。首先定義平臺方位坐標系為以海平面為基面的右手三維坐標系，z 軸垂直向上，xy 平面坐標系定義如圖5 所示。

圖5 海洋平臺xy 平面坐標系Fig.5 Coordinate system of xy plan

來流方向風向角按照xy 平面x 軸所指順時針為正，以45° 間 隔 分 別 定 義0°，45°，90°，135°，180°，－135°，－90°，－45°共計7 個工況。

本文定義2 個入口邊界條件，分別是空氣來流入口邊界條件和煙流入口邊界條件。空氣來流入口邊界條件為均勻來流，入口速度為10 m/s，溫度為25℃，入口風向角按照各工況給定風向角設置;煙流入口邊界條件定義為煙流組分均勻來流，入口速度為40 m/s，溫度為65℃，出口風向始終垂直于排煙口平面。

考慮到充分觀察去流方向的氣流場形態，本文的出口邊界設定為相對壓力0 Pa。

固壁面邊界條件主要在海洋平臺和底面定義。

4 仿真計算及結果初步分析

4.1 仿真計算

仿真計算在Ansys FLUENT 中進行，計算步長為100步。使用工作站配置為四核、8G 內存普通臺式工作站，單個工況計算時長約180 min。圖6 為計算收斂情況。

圖6 FLUENT 計算收斂情況Fig.6 Iteration plan

計算完成后在Ansys CFD－Post 中進行結果后處理。

4.2 仿真結果初步分析

由于邊界條件按照理想化條件選取，因此本文所述仿真計算在完成全部流程的基礎上僅進行形態定性分析。

4.2.1 各工況氣流場總體形態分析

各工況氣流場總體形態如圖7 所示。

圖7 0°風向角氣流場形態Fig.7 Air flow at WOD 0°

由圖7 可知，平臺正迎風風向時，尾部排煙隨來流對稱向后擴散，并形成尾渦系，速度伴隨渦系向后延伸逐漸減少，未與平臺發生接觸。

圖8 －45°風向角氣流場形態Fig.8 Air flow at WOD－45°

由圖8 可知，當來流方向發生一定偏角時，尾部排煙也向去流一側偏移，但由于平臺氣隙產生了渦流和減速作用，靠近平臺氣隙渦流的煙流形成渦流較為明顯，并有繞向立柱的趨勢。

圖9 －90°風向角氣流場形態Fig. 9 Air flow at WOD－90°

由圖9 可知，當來流方向為正橫方向時，尾部排煙進一步向去流一側偏移，并開始繞向左舷立柱，并在繞過立柱后形成明顯的渦流且已遠離直升機平臺區域。

圖10 －135°風向角氣流場形態Fig.10 Air flow at WOD－135°

由圖10 可知，當來流為斜后方向時，尾部排煙開始繞過一側立柱向前方擴散，并部分穿過平臺氣隙區域。

圖11 180°風向角氣流場形態Fig.11 Air flow at WOD180°

由圖11 可知，尾煙排出后即被來流帶向平臺氣隙區域，并逐漸形成對稱渦流向后方擴散，此時整個氣隙區域均充滿了煙流，但未對直升機飛行甲板造成影響。

本文通過仿真還發現，由于平臺整體布置縱向對稱，對稱正角來流工況的數值仿真結果與負角來流工況的數值仿真結果對稱，因此此處不再冗述。

4.2.2 部分工況局部剖面形態仿真分析

為進一步觀察流場形態，了解煙流擴散對直升機起降區域的影響，本文還截取了風向角為－90°和－135°等2 個較惡劣工況下平臺飛行甲板區域流場剖面仿真結果，并在圖中作出直升機軌跡線輔助觀察分析。

圖12 －90°風向角飛行甲板剖面速度場形態Fig.12 Heli-deck section air flow at WOD－90°

由圖12 可知，橫向來流時，出口處煙流排出后距離直升機甲板，在上層建筑附近有渦流存在但并未擴散至直升機平臺區域。

圖13 －135°風向角飛行甲板剖面速度場形態Fig.13 Heli-deck section air flow at WOD－135°

由圖13 可知，受側后方來流的影響，可觀察到排出煙流隨來流穿過平臺氣隙，并未向直升機甲板擴散。在此工況下，雖然不會對直升機起降區域產生明顯影響，但考慮到平臺底部可能布置有孔洞，或鉆采型平臺留有月井等開口，排煙中高溫高毒性粒子在氣隙區域內有可能向這些孔洞擴散，有可能對安全和平臺人員活動環境造成潛在影響。

5 結 語

綜上所述，本文通過參考艦船空氣流場研究的方法，綜合考慮海洋平臺排煙及其海上作業特點，初步探索了一種考慮煙流的氣流場形態仿真方法。通過初步仿真計算和分析，可得出以下結論:

1)使用數值仿真手段對海洋平臺的廢氣排煙氣流場進行簡化模擬，方法和流程可行。

2)對計算邊界條件進行了適當理想化設置，后續研究中應適當考慮能量交換作用及其他計算因素。

3)當海洋平臺采用向下排煙方式時，煙流在定常來流環境中通常不會對上部甲板面作業產生影響，但當平臺具有立管機構或其他設施穿過氣隙區域時，應考慮煙流的潛在危害。

向下排煙方式可屏蔽排煙對平臺上部氣流場的影響，但也存在一定的潛在危害，本文排煙管采用雙段折角形式，出口按照垂直方向夾角30°向下排煙，后續可通過改變排煙管長度及出煙角度分析相關規律變化。考慮到海洋平臺也有采用上部排煙形式的實例，該形式對平臺周邊氣流場特性的影響也可作為進一步研究的方向予以考慮。

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