基于OpenFOAM軟件CFD模擬的海上平臺上塔設備內收集器的優化設計

盧 臣

上海蘇爾壽工程機械制造有限公司 （上海 201306）

地球上75%以上的表面是海洋，其中蘊藏著巨大的資源，包括石油、天然氣等。隨著人們對海洋世界探索的增加及陸地資源的不斷減少，海底資源不斷被發掘利用。目前陸地上的石油開采及提煉設備已經非常成熟；而海上平臺上的開采及提煉設備由于受到海水流動的干擾，各內件的性能大受影響，導致塔設備的整體效率降低。

關于海上平臺上氣液兩相流的研究，大多集中于內部流場[1]與外部流場[2-5]，同時模擬晃動的平臺與內部氣液兩相流的文獻不多。本文針對海上平臺不斷晃動的特點,通過利用開源計算流體力學（CFD）軟件OpenFOAM模擬其上塔設備內收集器中氣液兩相的流動，對塔設備中收集器的設計進行模擬驗證及優化。收集器作為塔設備中的常用部件，承擔著收集并預分布液體、重新分布氣體的作用。液體與氣體在收集器各自的流道內互不干擾，才能達到最優的效果。

1 計算模型和方法

1.1 物理模型

圖1所示為一款收集器，液體經過上部的填料進入收集器后再預分布，氣體從收集器的底部沿直立管向上進入上部填料，氣體與液體在填料中進行傳質、傳熱。在收集器的直立管上端加一個帽子，防止上部流下的液體直接進入氣體通道。收集器在正常工作時，通常會有一定量的液體聚集在其底部。由于海上平臺的晃動，收集器中的液體也會隨之流動。因此在設計時需要考慮到晃動的液體不能從氣體通道（直立管）溢出，只能從底部的降液管流出，這樣才能完全發揮收集器的作用。在進行氣液兩相流的數值模擬計算時，為簡化計算，需要對模型進行簡化。氣體通道上的直立管帽不作考慮，即直立管上部密封，不考慮流入的氣體；收集器上部流下的液體也不作考慮，即頂部密封，只考慮收集器內的氣體和液體。

圖1 收集器平面圖

1.2 數值模型

用Solidworks對收集器進行整體三維建模后，采用OpenFOAM自帶的 blockMesh和sanppy－HexMesh工具對模型進行網格劃分，生成六面體結構化網格為主的混合網格。為提高精度，對直立管、交界面及近壁區域采取網格加密處理。收集器網格如圖2所示：總共有795632個網格；網格最大縱橫比為11.890 3，最大體積為5.694 81e-06，最小體積為4.013 06e-08；非正交性檢查通過，網格最大扭曲為3.161 48。

圖2 收集器模型及網格

1.3 平臺運動模型

海上平臺的6自由度運動即為沿著x，y，z軸3個方向的平動和繞3個軸的轉動，其相關研究有很多，包括數值模擬研究與實驗研究。海上平臺6自由度的運動（見圖3）可以定義為振幅為A，角頻率為ω和相位為φ的正玄曲線運動，ω=2π/t（t代表時間周期），運動形式可以表示如下：

圖3 6自由度運動

（1）平移運動

（2）回轉運動

運動響應可改寫成坐標系內的運動，見式（7）。

該轉換坐標系內的運動在模擬中被定義為時間和空間的函數。本CFD模擬中只考慮海上平臺常見的3個自由度方向上的轉動。參考坐標的中心點是整個海上平臺的重心點，同時考慮了平臺整體的相對運動。瞬態模擬運動的參數如表4所示。

表4 瞬態運動參數

由于3個運動的周期比較相似，為找出危險時間點的運動，模擬周期必須包括3個運動的周期。計算周期采用3種運動周期的最小公倍數，即模擬時間為110 s，這樣既能計算整個大周期內的流動狀態，也能盡可能地減少計算時間，以便更快地得到結果。

1.4 流動模型和邊界條件

整個海上平臺的重心相對于收集器模型的坐標是（-75 m，-20 m，-41.5 m），氣液兩相流的模擬采用流體體積函數（VOF）多相流模型[6]進行。由于平臺隨海浪做周期性運動，故模擬采用瞬態模擬，流體模型采用k-ω湍流模型。迭代殘差的收斂判據為1e-5，壁面無滑移邊界。氣體、液體的物性參數如表5所示。

收集器中液體的最高液位隨時間的變化如圖4所示，液位為0的位置表示收集器的甲板底部，直立管高度為400 mm，整個收集器的高度為520 mm。初始液位為相對于收集器甲板及中央主槽底部分布均勻的液體位置，高度為16 mm，如圖5所示（底部陰影表示初始液體部分）。

表5 氣液物性參數

圖4 液位高度參考圖

圖5 初始液位（底部陰影部分為液體）

2 數值模擬結果與分析

通過模擬可以得出不同時間點內收集器液體的最高液位，如圖6所示。

3 評估及優化

CFD模擬結果顯示，由于海上平臺周期性的晃動，收集器內液體也隨之運動。在一個大周期內，液體的最高液位在最初幾秒內劇烈波動，隨后減弱，然后隨著時間延長波動越來越劇烈，在30～70 s之間達到最高值，之后液體流動趨于平緩，最高液位降低。在整個晃動周期內，液體有溢流進入氣體通路的風險，最高液位可達520 mm，高于直立管的高度（400 mm），甚至到達收集器的頂部。

圖6 收集器內液位隨時間的變化情況

根據以上結果，對收集器進行優化設計。在底部中央主槽分別增加兩塊豎直板，其高度與主槽平齊，下面留有20 mm的間隙，這樣既能有效阻止主槽內液體的過快累積，又能方便主槽底部液體的擴散流動。

優化后的模型見圖7，共796 582個網格；網格最大縱橫比為11.890 3，最大體積為5.725 55 e-06，最小體積為4.013 06e-08；非正交性檢查通過，網格最大扭曲為3.16148。

圖7 優化后的模型結構

再次模擬后，得到的結果如圖8所示，收集器內的瞬時最高液位得以大幅度降低，直立管溢流的風險也大大降低，最高液位只有0.348 m，小于直立管高度，可保證收集器正常工作。

4 結論

通過CFD模擬對海上平臺塔內收集器內的三維流場進行可視化研究，根據分析結果提出優化方案。計算結果表明，優化方案具有顯著的削波穩流作用，能有效抑制收集器內液體的波動，從而減少了溢流的風險，提高了塔設備的工作效率。目前，塔設備工作狀況良好。

圖8 優化后收集器內液位隨時間的變化情況

在產品開發設計階段應用CFD方法，可以快速進行分析驗證，提出優化方案并進行模擬，從而大大縮短開發設計周期、節省開發費用并保證產品質量，其分析結果對于設計開發人員優化產品設計具有重要參考價值。

[1]鮑玲玲，劉中良，孫俊芳，等.海上平臺水合物分離器內氣液兩相流數值模擬[J].工程熱物理學報，2010，31(9):1539-1542.

[2]曹洪建，萬德成.基于OpenFOAM的數值波浪水池開發與應用研究 [C]//中國造船工程學會船舶力學學術委員會第八次全體會議論文集.大連：2014.

[3]吳明，石愛國，楊波，等.基于CFD的船舶斜浪三自由度運動仿真研究 [J].計算機應用研究,2013,30 (7):2233-2235，2240.

[4]李東，石愛國，楊波.基于CFD的規則波順浪數值水池模擬 [J]. 艦船科學技術，2016，38(9)：20-23.

[5]尹波.基于CFD的數值波浪池技術及其強迫橫搖數值實驗研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2011.