導管架平臺隔水套管區域流場數值模擬分析

導管架平臺隔水套管區域流場數值模擬分析

董坤

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司工程建設中心，天津 300452)

摘要：考慮到局部流場是控制和決定流冰在隔水套管區內運動形態的關鍵因素，使用FLUENT軟件,對渤海淺水重冰區某導管架平臺的隔水套管區內的流場進行數值模擬，統計可能發生碎冰滯留的區域分布比例，并根據不同入流方向進行評估，結果表明，隔水套管區內局部流場的滯留效應是導致碎冰堆積的主要誘因。

關鍵詞：導管架平臺；碎冰堆積；流場；數值模擬

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.011

中圖分類號：U661.1;P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0036-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一董坤 (1981-)，男，學士，工程師

Abstract:Local flow field is the key factor affecting the motion patterns of the drift ice in the region of the drill conductor. The FLUENT software is used in to simulate flow field of the region of conductor of a jacket platform in the shallow area with heavy ice in Bohai sea. The distribution of possible regions of rubble ice retention is counted, and the results are evaluated according to different inflow directions. The numerical results show that the local flow field in conductor area of the retardation effect is the main causes to lead to accumulation of crushed ice.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋工程設計、建造和工程項目管理

E-mail:dongkun@cnooc.com.cn

我國冬季有冰海域的導管架平臺隔水套管區極易發生碎冰堆積現象[1]，見圖1。這樣的碎冰堆積規模通常將引發的一系列棘手的工程問題。

圖1　渤海遼東灣平臺冰堆積

導致冰災害的誘因有多種，其中導管架平臺隔水套管區的滯留效應是最重要的誘因之一[2]。究其根源，這主要是因為外部流場經過導管架平臺隔水套管區時將發生繞流，產生漩渦，致使流速降低，從而碎冰不能隨著海流被及時清除。因此，關于淺水重冰區導管架平臺碎冰堆積進程的研究，首先從分析關鍵性誘因產生規律入手。本文采用FLUENT軟件模擬該區域的流場，通過分析局部流場變化情況，形成對碎冰滯留-堆積進程的預判。

1數學模型與計算模型

1.1控制方程

流體流動滿足質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。這些定律在流體力學中的體現就是相應的連續性方程和N-S方程[3-6]。

按照質量守恒定律，流入的質量與流出的質量之差，應該等于控制體內部流體質量的增量，由此可導出流體連續性方程的積分形式為

(1)

式中：Vol——控制體；

A——控制面。

對于不可壓縮均質流體，質量密度為常數，在直角坐標系下可將其簡化為如下微分形式。

(2)

數值模擬計算中將主要采用二維數值模擬，因此連續性方程為

(3)

對海洋工程流體問題而言，流體的質量密度和黏性系數都是常數，此時的N-S方程矢量形式為：

(4)

若不考慮流體的黏性，則由上式可得理想流體的運動方程Euler方程如下。

(5)

模擬采用湍流模型。雷諾平均N-S方程是流場平均變量的控制方程，其相關的模擬理論被稱為湍流模式理論[7]。湍流模式理論假定湍流中的流場變量由一個時均量和一個脈動量組成，以此觀點處理N-S方程可以得出雷諾平均N-S方程。再引入Boussinesq假設，即認為湍流雷諾應力與應變成正比之后，湍流計算就歸結為對雷諾應力與應變之間的比例系數(即湍流黏性系數)的計算。

標準k-ε模型具有穩定性、經濟性和比較高的計算精度標準。k-ε模型通過求解湍流動能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程得到k和ε的解，然后再利用k和ε的值計算湍流粘度，最終通過Boussinesq假設得到雷諾應力的解。RNGk-ε模型在形式上類似于標準k-ε模型，但是在計算功能上強于標準k-ε模型，其改進措施主要有：在ε方程中增加一個附加項，使得在計算速度梯度較大的流場時精度更高；模型中考慮了旋轉效應，因此強旋轉流動計算精度也得到提高；模型中包含了計算湍流Prandtl數的解析公式，而不像標準k-ε模型僅用常數；標準k-ε模型是一個高雷諾數模型，而RNGk-ε模型在對近壁區進行適當處理后可以計算低雷諾數效應。在本文的模擬中采用RNGk-ε模型。

1.2計算模型

根據實際平臺隔水套管區在Gambit中建立幾何模型，為消除邊界對于流場內部的影響，建模中設計的計算域為平臺區域橫向和縱向的各3倍左右。劃分網格時按照關心區域細化，其他區域略粗化的原則進行[8]。平臺區域流場的計算模型如圖2所示。

圖2　CEPD平臺區域流場數值分析模型

2數值計算及結果分析

海冰從不同方向(冰攻角)通過平臺時，也將產生不同的碎冰堆積效應。由于海上冰排是匯集了水流和風的能量而發生漂移運動的，因此，在數值模擬中將同時關注主風向和主流向。根據本文目標平臺所處海域的主風向SSW和NNE，主流向NE-SW，結合平臺布置方向，在數值計算中設置5種冰攻角作用條件。冰攻角0°和180°對應主流向；冰攻角22.5°和-157.5°對應主風向；同時考慮一種風和海流綜合作用下可能產生最大規模碎冰堆積規模的冰攻角，即-90°冰攻角。入流速度采用錦州灣9-3區平均流速0.4 m/s。

計算得到各入流方向下的流速分布見圖3～7。

圖3　0°來流方向下平臺整體流場云圖

圖4　22.5°來流方向下平臺整體流場云圖

圖5　180°來流方向下平臺整體流場云圖

圖6　-90°來流方向下平臺整體流場云圖

圖7　-157.5°來流方向平臺整體流場云圖

觀察各流向的云圖可發現，對于5種不同流向，流場在整個平臺結構的阻流區內出現一定程度的滯流效應，尤其是在隔水套管陣列區域內部，滯流效應更加突出。所有導管的后側流速均低于0.05 m/s。同時，由于流體繞過迎流破冰錐體后發生漩渦的泄放，因此，在沿流向后側的兩個破冰錐體與前側破冰錐體間的區域，也存在一定程度的滯流效應。在上述這些區域內碎冰將無法順流通過，進而發生滯留-堆積。

由于破冰錐體與井口區在不同流向情況下的相對位置不同，進而導致局部流場的滯流效應存在差別。因此，要對各流向情況下的局部流場滯流效應進行量化比較，引入漂浮冰塊的臨界啟動速度概念。

由于漂移冰塊體的運動主要受下部水流動力控制，因此，在分析研究漂浮冰塊的運動狀態時，常根據無量綱參數弗汝德數對冰塊的運動進行判別。弗勞德數Fr的表達式如下[9]。

(6)

式中：v——碎冰塊漂移速度；

g——重力加速度；

L——流場平均水深。

當Fr數小于0.03時，則漂移冰塊在遭遇阻礙時將會發生滯留，難以啟動運動狀態。根據這一臨界Fr數值，對該平臺覆蓋區域內的流場進行分析判別。根據現場水文資料可知，該平臺所處海域的平均水深為8.9 m。由此計算出CEPD平臺覆蓋區域內碎冰塊發生滯留的臨界流速：vs=0.28 m/s。

提取井口區各計算點的流場速度值，整理得到該平臺覆蓋區域在5種整體流場行進方向下的速度分布統計情況，平臺在5種來流方向下的滯留區域比例統計結果見表1。

表1　平臺在五種來流方向下的滯留區域比例

相比較而言，0°入流時流場出現顯著滯流效應的區域最大，這是由于迎流向的破冰錐與隔水套管陣列區距離過近，更易于發生碎冰塊的滯留。整體計算結果表明，迎流破冰錐體與隔水套管陣列區距離較近時發生碎冰塊滯留的區域面積，相對于距離較遠時更大。

統計結果表明，-157.5°滯流效應要弱于其他流向，低于臨界下潛速度0.28 m/s的速度滯留率為29.4%。而0°入流情況則為42.3%，22.5°、-180°及-90°分別為38.8%、39.0%及37.1%。

3結論

隔水套管區內局部流場的滯留效應隨入流方向發生變化，當隔水套管區首先迎流時，局部流場的滯留效應最為顯著。

參考文獻

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[3] 徐元利,徐元春,梁興，等.FLUENT 軟件在圓柱繞流模擬中的應用[J].水利電力機械，2005,2(1):39-41.

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[9] FOLTYN E P, TUTHILL A M. Design of ice booms [R]. Hanover: U.S. Army CRREL, 1996.

Numerical Simulation and Analysis of the Flow Field

in the Jacket Platform Conductor Area

DONG Kun

(Project Construction Center, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: jacket platform; rubble ice pile-up; flow field; numerical simulation