基于Fluent和FENSAP-ICE的極區海洋平臺甲板結構結冰數值模擬

沈杰 白旭

研究論文

基于Fluent和FENSAP-ICE的極區海洋平臺甲板結構結冰數值模擬

沈杰 白旭

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院, 江蘇 鎮江 212003)

極區自然資源豐富卻氣候惡劣, 海洋平臺在此地區作業時甲板表面極易出現結冰現象。針對極區海洋平臺甲板結構結冰問題, 采用Fluent與FENSAP-ICE軟件相結合的方法, 分析在過冷霧和過冷雨條件下, 距海面高度和結構特征長度對甲板結構結冰的影響。結果表明: 當特征風速為5 m·s?1、6 m·s?1和7 m·s?1時, 在風速不變的條件下, 隨著距海面高度由2 m增加到20 m, 結構表面的平均結冰厚度均逐漸增加且結構表面的結冰相對增長率逐漸減小; 在特征風速為5 m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 隨著結構特征長度由1 m增加到30 m時, 結構表面的平均結冰厚度均逐漸減小且減少程度逐漸減緩。

極區海洋平臺 甲板結構 結冰 數值方法

0 引言

極區蘊藏著豐富的自然資源, 是未來重要的能源和資源基地。從20世紀60年代起, 人們相繼在北冰洋大陸架邊緣海域發現了豐富的石油和天然氣[1]。據美國地質調查局估計, 北極擁有全球未開發石油儲量的13%, 可采原油約1 000億桶; 天然氣儲量約50萬億m3, 占全球未開發天然氣的30%[2]。

極區海洋平臺是在極區進行資源開發的重要活動載體, 然而由于極區冬季時間長, 溫度在?43—?26℃之間, 平均氣溫為?34℃, 海氣交換強烈, 大部分時間空氣中相對濕度都在95%以上, 表現為多霧和濃霧[3]。這種極端氣候下空氣中的冷水滴極易與海洋平臺接觸從而在結構表面凝結成冰, 有時海洋平臺上的結冰量甚至可達數百噸, 這些新增重量不僅會降低平臺穩性、改變平臺結構應力、降低平臺結構可靠性, 還會影響平臺上設備的正常運行, 例如: 凍結絞盤、起重機和閥門, 覆蓋窗戶, 堵住通風口, 增加人員滑倒的危險, 平臺高處的冰塊掉落還會威脅人員安全等。

Saha等[4]通過實驗分別研究了不含鹽水滴和含鹽水滴與低溫平板碰撞后的結冰情況。實驗表明水滴在空氣中的冷卻時間、水滴與平板的撞擊面積和水滴在結構表面的凝結時間均主要受水滴大小的影響, 同時隨著水滴大小的增加, 水滴含鹽度對結冰時間的影響程度逐漸增加。Dehghani等[5]通過實驗得到了船舶與海水碰撞產生飛濺水滴的大小和速度在垂直方向上的分布情況, 這表明以往在船舶結冰計算中對水滴使用單速度和單尺寸的假設是不夠準確的, 應使用水滴速度和大小的分布函數來進行船舶的結冰計算。Horjen[6]提出了一個二維時間依賴型結冰數學模型ICEMOD2。該模型基于如下假設: 1)空氣溫度不變, 2)結構周圍空氣流動為勢流, 3)結冰僅發生在圓柱的迎風側。ICEMOD2在數值求解過程中, 采用了基于Lax–Wendroff法的有限差分法和四階Runge-Kutta方法進行求解, 同時為了減少數值計算的誤差, 模型采用的時間步長為0.016 s。但由于該模型僅考慮結構迎風側的冰形變化, 忽略背風側的結冰, 這就會與實際結構表面結冰區域的分布有較大的差異, 使此模型也有一定的局限性。Kulyakhtin[7]提出了一個用于預測海水飛濺結冰的數學模型, 即MARICE模型。MARICE模型與ICEMOD2模型最大的不同是其將計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法與結冰模型進行了耦合, 可以通過CFD方法求解結冰后冰形對結構周圍流場分布的影響。卜淑霞等[8]以一艘集裝箱船為研究對象, 研究了不同數值方法計算得到的結冰量對船舶復原力臂的影響, 進而以某艘集裝箱船的船型參數為基本, 進行了船舶結冰后的穩性衡準評估計算, 為國際海事組織(IMO)極地規則的制定提供了技術支撐。汪仕靖[9]基于MATLAB編制并驗證了一套極地船舶結冰計算程序, 該程序對船型進行參數化輸入, 并將船型網格劃分為主船體平面網格、上層建筑網格和海水飛沫無法到達的陰影區域網格, 但該程序只能大體確定船體某一部位的結冰量而無法得到某一具體結構上的冰形分布。

在極區作業的海洋平臺多為固定式平臺, 與船舶結冰多由海水飛濺導致不同, 固定式海洋平臺由于具有較高的高度, 其更易與空氣中的過冷霧滴和過冷雨滴接觸從而在結構表面凝結成冰, 由于該部分水滴所含鹽分可忽略不計, 在海洋平臺大氣結冰數值計算中可不考慮水滴中鹽分的影響[10]。由于甲板結構作為海洋平臺上的重要組成部分, 本文針對極區海洋平臺甲板結構, 采用Fluent與FENSAP-ICE軟件相結合的方法, 分析在過冷霧和過冷雨條件下, 距海面高度和結構尺寸對甲板結構結冰的影響。

1 數值驗證

1.1 結冰分析

圖1為結冰過程簡圖。水滴溫度只會在低于?40℃時, 才會在無擾動的形式下自發凝結成冰[11],而在?40—0℃之間, 水滴處在一個亞穩定狀態即過冷狀態, 當水滴處在亞穩態時僅需微小的擾動即可觸發凝固, 導致水從亞穩態液相變成穩態固相。熱/能量傳導、流體中雜質、與冷表面的接觸、機械撞擊、振動等都可能成為擾動源, 本文研究的水滴與海洋平臺甲板結構碰撞而結冰的情況就屬于機械撞擊觸發凝固。

圖1 結冰過程簡圖

Fig.1. Sketch of icing process

1.2 計算流程

由于極區海洋平臺結冰的特殊性, 通常對其的研究都是通過現場試驗進行的, 然而受到我國地理位置的影響, 現場試驗是非常耗時且成本極高的。因此, 本文結合Fluent和FENSAP-ICE軟件進行數值模擬研究, 其中Fluent軟件用于結構周圍流場的分析計算, FENSAP-ICE軟件用于計算水滴的撞擊特性和冰層的增長過程。圖2為本文的計算流程。

圖2 計算流程

Fig.2. Computing flow

1.3 試驗驗證

為了驗證預報方法的準確性, 本文從文獻[6]中選取了一組結冰試驗條件(見表1)進行數值模擬計算(在計算過程中均不考慮結構表面的粗糙度)。

表1 實驗條件

如圖3所示, 圖4中的x軸坐標代表圓柱表面任意一點與圓心之間的夾角φ, 0°為與x軸負向重合, 沿順時針方向為正。

圖3 圖4中x軸坐標定義

Fig.3. Definition of X-axis coordinate in figure 4

圖4 結冰厚度對比

Fig.4. Icing thickness comparison

圖4中表示的是結構表面的冰層厚度計算結果和文獻[6]中數據的對比。從圖4中可以看出在整個區間內兩者的變化趨勢相同, 平均偏差僅為6.94%, 驗證了計算方法的可靠性。

2 甲板結構結冰分析

氣流與平臺甲板相接觸后會向上抬升(如圖5), 甲板結構周圍的流場可以看作是相似的, 因此本文僅選用平臺甲板的一部分進行結冰分析, 仿真過程中所用計算域模型如圖6所示, 其中inlet為速度入口邊界條件, outlet為壓力出口邊界條件, 上下邊界為壁面邊界條件, d為特征長度, 平板在計算過程中保持靜止。

圖5 甲板與氣流的作用

Fig.5. The role of deck and air flow

圖6 計算域模型

Fig.6. Computational domain model

選取文獻[12]中的條件作為本文的計算條件, 分別分析在過冷霧(見表2)和過冷雨(見表3)條件下距海面高度和特征長度對甲板結構結冰的影響。

距海面高度Z處的風速由下式可得:

式中,表示距海面10 m處的風速, 本文將其定義為特征風速,表示距海面的高度。

圖7和圖8表示的是過冷霧和過冷雨條件下甲板結構表面平均結冰厚度與距海面高度之間的關系, 表4、表5表示的是過冷霧和過冷雨條件下甲板結構表面結冰的相對增長率。從圖7和圖8中可以看出, 當特征風速為5 m·s?1、6 m·s?1s和7 m·s?1時, 在風速不變的條件下, 隨著距海面高度由2 m增加到20 m, 結構表面的平均結冰厚度逐漸增加; 在距海面高度不變時, 隨著風速的增加, 結構表面的平均結冰厚度也在逐漸增加。從表4、表5可以看出, 當特征風速為5 m·s?1、6 m·s?1s和7 m·s?1時, 在風速不變的條件下, 隨著距海面高度的增加, 結構表面的結冰相對增長率逐漸減小。

圖9和圖10表示的是過冷霧和過冷雨條件下距海面20 m和80 m處平均結冰厚度隨甲板結構特征長度的變化, 表6和表7表示的是過冷霧和過冷雨條件下甲板結構表面結冰的相對增長率。從圖9和圖10中可以看出, 在特征風速為5 m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 均隨著結構特征長度由1 m增加到30 m時, 結構表面的平均結冰厚度逐漸減小; 在特征長度不變的條件下, 隨著距海面高度由20 m增加到80 m, 結構表面的平均結冰厚度逐漸增加。從表6和表7中可以看出, 在特征風速為5 m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 隨著結構特征長度由1 m增加到30 m時, 結構表面的相對結冰增長率均逐漸增大。

表2 過冷霧計算條件

表3 過冷雨計算條件

圖7 過冷霧條件下結冰厚度與距海面距離的關系

Fig.7. Relationship between ice thickness and distance from sea surface under supercooled fog

圖8 過冷雨條件下結冰厚度與距海面距離的關系

Fig.8. Relationship between ice thickness and distance from sea surface under supercooled rain

表4 過冷霧條件下距海面高度對結冰相對增長率的影響

注: 距海面高度20 m處的相對結冰增長率使用如下公式計算: (20–18)/18·100%，其中20和18分別表示20 m和18 m處的結冰厚度

表5 過冷雨條件下距海面高度對結冰相對增長率的影響

注: 距海面高度20 m處的相對結冰增長率使用如下公式計算: (20–18)/18·100%，其中20和18分別表示20 m和18 m處的結冰厚度

圖9 特征風速為5 m·s?1時過冷霧條件下距海面20 m和80 m處平板特征長度隨高度的變化

Fig.9. Variation of plate feature length with height from20m and 80m from sea surface under supercooled fog at a characteristic wind speed of 5 m·s?1

圖10 特征風速為5 m·s?1時過冷雨條件下距海面20 m和80 m處平板特征長度隨高度的變化

Fig.10. Variation of plate feature length with height from 20m and 80m from sea surface under supercooled rain at a characteristic wind speed of 5 m·s?1

表6 過冷霧條件下結構特征長度對結冰相對增長率的影響

注: 特征長度30 m處的相對結冰增長率使用如下公式計算: (30–25)/25·100%，其中30和25分別表示特征長度為30 m和25 m處的結冰厚度

表7 過冷雨條件下結構特征長度對結冰相對增長率的影響

注: 特征長度30 m處的相對結冰增長率使用如下公式計算: (30–25)/25·100%，其中30和25分別表示特征長度為30 m和25 m處的結冰厚度

3 結論

以極區海洋平臺結構的結冰為背景, 提出了結合Fluent和FENSAP-ICE軟件進行甲板結構結冰數值預報的方法, 分析了在過冷霧和過冷雨條件下距海面高度和結構尺寸對甲板結構結冰的影響, 得出以下結論。

1. 當特征風速分別為5 m·s?1、6 m·s?1和7 m·s?1時, 在風速不變的條件下, 隨著距海面高度由2 m增加到20 m, 結構表面的平均結冰厚度均逐漸增加且結構表面的結冰相對增長率逐漸減小。

2. 在距海面高度不變時, 隨著特征風速由5 m·s?1增加到7 m·s?1, 結構表面的平均結冰厚度也在逐漸增加。

3.在特征風速為5m·s?1條件下, 在距海面高度為20 m和80 m處, 隨著結構特征長度由1 m增加到30 m時, 結構表面的平均結冰厚度均逐漸減小且減少程度逐漸減緩。

4. 在特征風速為5 m·s?1條件下, 當結構特征長度不變時, 隨著距海面高度由20 m增加到80 m, 結構表面的平均結冰厚度逐漸增加。

1 BIRD K J, CHARPENTIER R R, GAUTIER D L, et al. Circum-arctic resource appraisal: estimates of undiscovered oil and gas north of the arctic circle[R]. Reston: The United States Geological Survey(USGS)National Center, 2008.

2 GAUTIER D L, BIRD K J, CHARPENTIER R R, et al. Assessment of undiscovered oil and gas in the Arctic[J]. Science, 2009, 324(5931): 1175-1179.

3 謝強, 陳海龍, 章繼峰. 極地航行船舶及海洋平臺防冰和除冰技術研究進展[J]. 中國艦船研究, 2017, 12(1): 45-53.

4 SAHA D, DEHGHANI S R, POPE K, et al. Temperature distribution during solidification of saline and fresh water droplets after striking a super-cooled surface[C]//Arctic Technology Conference, October 24-26, 2016, Newfoundland and Labrador, St. John's. Houston: Offshore Technology Conference, c2016: 1325-1328.

5 DEHGHANI S R, NATERER G F, MUZYCHKA Y S. Droplet size and velocity distributions of wave-impact sea spray over a marine vessel[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 132: 60-67.

6 HORJEN I. Numerical modeling of two-dimensional sea spray icing on vessel-mounted cylinders[J]. Cold Regions Science and Technology, 2013, 93: 20-35.

7 KULYAKHTIN A. Numerical Modelling and Experiments on Sea Spray Icing[D]. Trondheim, Norway: Norwegian University of Science and Technology, 2014.

8 卜淑霞, 儲紀龍, 魯江, 等. 積冰對船舶穩性的影響[C]//吳有生, 唐洪武, 王超. 第二十七屆全國水動力學研討會文集(下冊). 上海:《水動力學研究與進展》雜志社, 2015: 63-69.

9 汪仕靖. 極地航區船舶積冰預報模型研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2018.

10 MINSK L D. Ice Accumulation on Ocean Structure[M]. Minneapolis: Cold Regions Research and Engineering Laboratory, 1977: 5-8.

11 朱春玲, 朱程香. 飛機結冰及其防護[M]. 北京: 科學出版社, 2016: 1-2.

12 HORJEN I. Icing on offshore structures-atmospheric icing[J]. Norwegian Maritime Research, 1983, 11(3): 9-22.

NUMERICAL SIMULATIONS OF DECK STRUCTURE ICING ON POLAR OFFSHORE PLATFORMS BASED ON FLUENT AND FENSAP-ICE

Shen Jie, Bai Xu

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The polar region is rich in natural resources, but the climate is harsh. The deck surface of offshore platforms in this region is prone to icing, which is dangerous. To investigate factors affecting the icing of deck structures on polar marine platforms, a combination of the software programs Fluent and FENSAP-ICE was used to analyze the influence of sea surface height and structure length on deck icing under conditions of supercooled fog and rain. The results showed that when characteristic wind speeds were 5 m·s?1, 6 m·s?1and 7 m·s?1, average ice thickness on the structure surface increased gradually with height from 2 m to 20 m and the relative growth rate of ice on the structure surface decreased gradually. Additionally, when characteristic wind speed was 5 m·s?1at altitudes of 20 m and 80 m above sea level, the length of the structure increased from 1 m to 30 m, and average ice thickness on the structure surface and degree of reduction decreased.

polar offshore platform, deck structure, icing, numerical method

2019年7月收到來稿, 2019年10月收到修改稿

國家自然科學基金(51879125)、江蘇省高等學校自然科學研究重大項目(18KJA580003)、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項目(2018-KTHY-033)和江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目(SJKY19_2664)資助

沈杰, 男, 1993年生。碩士研究生, 研究方向為極地船舶與海洋工程。E-mail: shenjie254@126.com

白旭, E-mail: baixu@just.edu.cn.

10. 13679/j.jdyj.20190033