超深水鉆井船風載荷預報

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(1.中遠海運重工有限公司技術研發中心，大連 116600；2.必維船級社(中國)有限公司 先進技術研究中心，上海 200011)

目前風載荷的評估主要有現場實測、風洞試驗、數值模擬，以及規范計算4種方法，其中現場實測容易受到周圍環境的干擾，且試驗成本高，因此在民船上的研究很少[1]；風洞試驗由于可靠性高，常被做為船舶與海工裝備動力性能與載荷研究的重要手段[2]，但試驗花費的周期較長；隨著計算機硬件的發展，基于CFD 技術的數值模擬方法得到了飛速發展，在船舶設計領域中，基于CFD技術進行風載荷的數值模擬也逐漸成為趨勢[3]；然而，在項目的實際運用中，采用最廣泛的仍然是規范計算法[4]，計算方法簡單、快速。現有的研究中關于風洞試驗、數值模擬方法以及規范計算風載荷預報結果之間的兩兩對比多以常規船型及海洋平臺做為研究對象[5-7]，而關于超深水鉆井船的風載荷研究則鮮見報道。超深水鉆井船作業區域遠離大陸且環境條件較為惡劣，常年受到風浪流的聯合作用影響。

為更加準確地預報該類型鉆井船的風載荷，分別通過實船尺度數值模擬和船模風洞試驗的方法對鉆井船的風載荷進行預報，并將用2種預報方法得到的結果與規范計算結果同時進行對比分析。

1 研究對象及計算工況

以第七代超深水鉆井船作為研究對象，其主要參數信息見表1。

表1 鉆井船主要參數信息

對鉆井船的水上部分船體及上層建筑進行建模，為提高計算效率，將次要構件進行適當簡化，所形成的三維幾何模型見圖1。整個模型共分為12個部分，編號從P1～P12，各部分的詳細名稱見表2。

圖1 鉆井船水上部分的三維模型

P1船體P7艏部右舷吊車P2生活區P8艉部右舷吊車P3井架P9右舷燃燒臂P4井架基座P10井架前部模塊P5卸貨區P11井架后部模塊P6火炬塔P12艉部模塊

2 風載荷的數值模擬

為評估鉆井船在作業工況下的受力情況，以作業吃水10.5 m，風速70 kn作為計算條件，同時為避免因模型尺度差異形成的尺度效應，各工況下的數值模擬均采用實尺度模型。

2.1 坐標系及風向角定義

坐標系原點O位于船體中縱剖面、中橫剖面以及水線面的交點，X軸平行水線面指向船艏，Y軸指向右舷。水上部分承受的風載荷作用力表示為：縱向力Fx與X軸方向一致，側向力Fy與Y軸方向一致。風載荷計算考慮12個風向角，風向角范圍為0°～360°，角度間隔為30°。風向角逆時針旋轉定義見圖2，0°表示船艏迎風，90°表示右舷橫向來風。

圖2 風向角定義

2.2 計算域及網格劃分

創建長方體計算域，計算域長度2 400 m，寬度1 800 m，高度800 m，船模置于計算域底部。為實現不同風向角計算，將計算域分為外域和內域，參考物理風洞轉盤原理將內域創建為可旋轉的圓柱體，可通過內域旋轉進行不同風向角計算。風向固定沿著X軸方向，通過旋轉計算域中部的船體，實現船體迎風風向(0°～360°)。不同風向情況下，網格數目不同，網格總數在4 000萬。圖3所示計算域內網格在船體周圍的圓柱范圍內設置有網格加密區，船體物面設置邊界層網格，參考Y+=60。

圖3 船體表面網格劃分示意

2.3 湍流模型及邊界條件

數值計算采用RANS模型框架下的SSTk-ω模型，模型中k和ω的輸運方程[8]分別為

Pk-β*ρkω

(1)

(2)

式中：xi、xj為空間分量；Pk為湍流動能生成項；vt為湍流黏性系數；V為流體黏性系數；Uj為坐標軸xj方向上的平均速度分量；S為平均應變率張量；F1為混合函數；β*、α、β、σω、σω2為湍流模型常數。

邊界條件設置見表3。

表3 邊界條件

采用高度變化的風速剖面，風速剖面參考NPD規范的相關規定[9]，設定海平面上z處時均風速U(z)為

(3)

(4)

式中：U0為海平面上10 m高處的時均風速，這里取最小設計風速70 kn。

圖4 風速剖示意(U0=70 kn)

2.4 計算結果

風載荷計算時，對水上部分的整個模型沿水平方向的受力情況進行監測，檢測結果見圖5。

圖5 風載荷縱向力、側向力以及合力隨風向角的變化

為分析各部分結構對風載荷的貢獻，對建模過程中劃分的12部分模型分別進行受力的檢測，各部分在縱向力和側向力上的貢獻值在圖6中描述。

圖5中的計算結果顯示，風載荷縱向力Fx在風向30°，150°，210°和330°時最大，側向力Fy在風向角60°和300°度時最大，而合力F合也在60°度和300°度達到最大值。

圖6 上建各部分對風載荷的影響

由圖6可見，具有較大迎風面積的船體(P1)、井架(P3)和船艏生活區(P11)為風載荷主要來源。以風向角60°為例，P1、P3和P11對風載荷縱向力的貢獻量占比分別為-27.8%、34.1%和42.0%，對風載荷側向力的貢獻量占比分別為33.4%，22.9%和7.4%。

風壓力系數Cp的定義如下。

(5)

隨著風向角度的變化，船體表面的風壓力系數的云圖分布變化較大，由構件迎風面上壓力分布大小可以方便地辨識該構件是否受到前方構件的遮蔽，承受正壓力系數越大且分布越均勻說明前方構件對該構件的影響越小。

3 風洞試驗

3.1 風洞介紹

試驗在中國船舶科學研究中心閉口單回流低速風洞進行，試驗段長度8.5 m，橫剖面正八角形(面積7.875 m2)。試驗風速3～93 m/s連續可調。試驗內容為鉆井船正浮狀態作業下吃水為10.5 m的風載荷試驗，風向角0°～360°，間隔30°，將加工好的模型放入風洞中，測量參數為鉆井船模型的風載荷。

3.2 試驗原理

參照風洞中模型試驗規程[9-10]，滿足以下相似準則。

1)幾何相似。模型按等縮尺比(1∶140)制作，滿足幾何相似。

2)運動相似。模型風向角度與實船情況一致，滿足運動相似。

3)動力相似。大量模型試驗表明，較低的試驗風速就能實現與實體原型相似的流動狀態，此時繼續增加試驗雷諾數，流體動力系數基本保持不變。通過變雷諾數測試選定的試驗雷諾數為1.82×106，滿足動力相似要求。

3.3 結果對比分析

風洞試驗計算與數值模擬結果對比見表4。

由表4可見，風載荷數值計算結果與風洞試驗結果大體趨勢一致。除風向角為0°時的風載荷合力數值計算結果較風洞試驗結果偏大，其他角度下數值計算結果均偏小，相比之下風洞試驗的結果更偏保守。兩者差異在90°風向角下達到最大為22.5%，其他對比差異均在20%以內，且大部分的差異集中在10%附近，表明實尺度的風載荷數值模擬計算精度基本能夠滿足工程應用需求。

4 風載荷的規范計算

根據API[11]規范計算方法對70 kn風速下的鉆井船風載荷進行計算，通過將全船結構離散成多個構件模塊，再疊加各組成構件的載荷獲得總的風載荷。并將計算結果分別與數值模擬結果、風洞試驗結果進行對比，見表5。

表4 風洞試驗計算結果與數值模擬結果對比 kN

表5 風載荷規范計算結果與數值模擬和風洞試驗對比

由表5可見規范計算結果較數值模擬和風洞試驗結果均大，差別最大的2個工況點分別是風向角0°和。在0°風向角時規范計算結果較風洞試驗結果高出62.9%； 180°風向角時規范結果較數值模擬結果高出55.9%。迎風和順風狀態下規范計算的結果偏大的最多，一方面說明船舶在迎風和順風狀態下上層建筑的相互遮蔽最為明顯，另一方面也反映出規范計算方法并不能充分考慮到上層建筑各部件間前后遮蔽效應的影響。觀察規范計算結果與風洞試驗結果從0°～180°以及180°～330°風向角兩者的誤差均呈現先減小后又增加的趨勢，且在90°和270°2個風向角下誤差達到最小。從整體來看，規范計算結果最大，風洞試驗結果次之，數值模擬的結果最小，且規范計算的結果明顯大于后2種風載荷預報結果，最為保守。

5 結論

1)由于在CFD數值模擬中，計算模型為剛性固體，固定無自由運動，也不會發生振動，以及風洞試驗中尺度效應的影響、風剖面模擬存在誤差等原因，數值模擬與風洞試驗的風載荷預報結果難免存在差異，但從整體來看數值模擬與風洞試驗結果吻合較好，具有較好的計算精度。

2)通過數值模擬分析可以得到的詳細流場信息，并能夠將幾何模型任意拆分，獨立監測某一部分的受力情況，為區域結構設計提供準確的依據。

3)數值模擬計算結果表明船體、井架和船艏生活區為風載荷主要來源可通過優化這3個主要部分的外形來降低風載荷。

4)相較于數值模擬和風洞試驗，規范計算得到的風載荷由于并未充分考慮遮蔽效應的影響，導致計算結果過于保守，對于后續的動力定位能力分析和結構設計均產生較大影響。

5)與風洞試驗相比，數值模擬方便進行不同設計方案的對比和篩選，節省大量的人力物力，建議在設計初期采用數值模擬方法進行風載荷評估及上層建筑優化。