系泊方式與結構外形對水下中部懸置構筑物穩定性影響的數值模擬研究?

蔣濟同，曠 俊 ，周獻祥，牛云龍

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島266100；2.軍事科學院國防工程研究院，北京 100036)

隨著海洋科技的不斷發展，人類探測領域已經從近海逐步跨入深海乃至超深海。深海領域對技術要求在不斷提高，同時，需要更加先進的深海設備，因此深海設備從設計研發、生產到使用，都需要更大的發展及進步[1-2]。

本文所研究的水下中部懸置構筑物不具有動力系統，不具備自主航行的能力，通過錨鏈固定在海面以下，主要功能是為人類深海活動的提供補給，為深潛器提供燃料和裝備，為深海勘察、采集、觀測和資源開發等眾多與深海環境資源有關的人類活動提供支持，提高深海作業的效率和安全性。因此，對水下中部懸置構筑物進行研究對促進深海資源探測的發展，具有重要的理論及實踐意義。

韋起賢[3]采用雙向流固耦合的數值模擬方式對球形、圓柱半球形、碟形平放和立放四種情況下構筑物的穩定性進行了研究。研究表明碟形是構筑物相對合理的結構外形，其在雙向流固耦合設置中將構筑物離水面最遠處設定為固定約束，只能夠轉動，沒有X、Y和Z方向的位移。可以在一定程度上反應形狀對穩定性的影響，但固定約束與實際情況的纜繩約束完全不相符。

本文將采用Aqwa模塊，模擬纜繩對構筑物的約束，同時比較系泊方式和結構外形對水下中部懸置構筑物穩定條件的影響，為研究構筑物的合理外形提供參考。

1 環境參數及設計條件

綜合考慮可能的應用場景選定了200 m作為水深開展研究。通過查閱大量的國內外文獻資料，當構筑物處于200 m水深時，波浪對其造成的影響可以忽略，故主要考慮洋流對構筑物可能造成的影響。研究顯示中國近海200 m水深時最大流速不會超過2 m/s，因此本文從最不利荷載的角度出發，以2 m/s的流速為基礎研究不同系泊方式和結構外形對構筑物穩定性的影響[3]。因200 m水深的鉛直流單位一般是10-5cm/s[4]，速度較小，因此只考慮水平流速。

構筑物的形狀初步選為碟形、圓球形、圓柱-半球形，如圖1所示。體積選擇200和1 000 m3兩個量級的尺寸如表1所示。

表1 三類構筑物尺寸

圖1 海洋中部懸置構筑物形狀

2 數值模擬設置

Aqwa(Advanced quantiative wave analysis)模塊作為大學、研究機構、海洋工程設計公司的重要浮體分析工具之一，其主要解決浮體在環境載荷作用下的運動響應、系泊定位、海上安裝定位、船舶航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題[5-8]。本文采用有限體積法離散，通過ANSYS Workbench平臺中的Fluent模塊計算構筑物在水流作用下的阻力，計算出的阻力作為水流力系數矩陣導入到該平臺的Aqwa模塊，再進行構筑物穩定性分析。

2.1 流場邊界

流域設置越大越好，可以忽略壁面對構筑物運動的影響，但流域設置過大，勢必網格數量增多，從而影響計算效率，為保證模型周圍流場得到充分發展，本文流場大小參考文獻[9]，建立圓柱形流域，模型的幾何中心位于坐標原點。流域設置：前端長度為構筑物長度3倍；后端長度為構筑物長度4倍；直徑為構筑物直徑的10倍[9](見圖2)。

圖2 計算域模型

2.2 網格生成

采用Geometry模塊進行流場域的建模，為保證全部區域都能劃分成六面體網格，對流場進行切分，面與面之間兩兩對立[10]。

采用Mesh模塊對已經切分好的流場進行網格劃分，網格數量將很大程度影響計算效率和準確性，在靠近構筑物的附近網格應該盡可能的細一些，而距離構筑物很遠的部分的網格可以設置大一些。參考孫夢瑤[11]的論文，第一層網格高度按照公式來確定：

y+=0.172(Δy/L)Re0.9。

式中y+=40。

網格劃分情況如圖3所示。

圖3 流場網格

2.3 求解設置

參考文獻[3]，本次研究選擇了雷諾平均N-S方程，采用RNGk-ε湍流模型設置求解。采用穩態求解器，對壓力速度耦合項選取SIMPLE算法進行解耦；采用有限體積法離散動量方程，其中對流項采用二階迎風差分格式，擴散項采用中心差分格式；離散得到的代數方程采用Gauss-Seidel迭代求解[12]。

基于雷諾平均的N-S方程為：

(1)

(2)

RNGK-Epision湍流模型的k和ε方程如下：

(3)

(4)

整個計算域邊界分為入口、出口、壁面和外部邊界，所研究的構筑物模型黏性繞流視為不可壓縮流動，各邊界條件設置如下：

(2)出口：壓力出口邊界(Pressure-outlet)。

(3)壁面表面：設定構筑物表面為不可滑移壁面條件，設為wall。

(4)外邊界：計算域外邊界為無滑移壁面(Wall)。

(5)對稱邊界：將模型對稱面所在平面，即計算域的對稱面，設定為對稱邊界(Symmetry)。在對稱面上，既沒有質量的交換，也沒有熱量等其他物理量的交換，Fluent設定垂直于對稱面的速度分量為零。在計算中，該邊界條件不需要給定任何參數。

2.4 模型阻力計算方法驗證

早在2006年上海交通大學的張懷新等[13]就對新型蝶形潛水器進行了研究，證明了數值計算在潛水器阻力性能研究方面的應用價值。本文先對其模型進行計算和對比，驗證計算方法的可行性與可靠性。其采用的模型示意圖和尺寸分別如圖4和表2所示。

圖4 潛水器布置圖

表2 潛水器主尺度要素

數值計算過程中，由于潛水器左右、上下對稱，所以依然選取1/4模型進行計算，計算結果與原論文結果對比見表3。

從表3可以看出，計算結果與實驗結果非常的接近，誤差都小于10%，說明該數值模擬方法的網格結構、數量以及所選取的計算參數是合理的。

“在很久以前，我們糖人可受孩子們的歡迎了，為他們的童年帶去了很多歡樂……只是到了這個時代，你們這群小孩都喜歡吃什么巧克力啊水果糖這些新鮮時髦的東西……”糖龍嘆息著說道。

表3 不同航速下潛水器的阻力

2.5 阻力計算結果

通過Fluent軟件計算3種不同形狀的構筑物在2 m/s水流作用下受到的阻力，之前對模型進行了分塊處理，生成了正交的六面體網格，網格的使用效果很好，計算80步就達到了收斂條件，殘差圖如圖5所示。

圖5 殘差圖

不同體積的構筑物阻力計算結果如表4、5所示。

表4 200 m3構筑物仿真結果

表5 1 000 m3仿構筑物仿真結果

從上表可以看出,比較三者的總阻力：200和1 000 m3的規律一致，碟形構筑物的阻力最小，球形構筑物次之，圓柱-半球形阻力最大，與球形和圓柱-半球形構筑物相比，碟形構筑物所受到的黏壓阻力較小，黏壓阻力又被稱為旋渦阻力，它與構筑物尾部旋渦所消耗的能量有關，黏壓阻力越小，所消耗的能量越少，構筑物尾部旋渦越少，所以上述結果表明碟形構筑物尾流中產生的旋渦較少，更適應在流場環境中的受力。

3 數值模擬結果分析

在前面通過借助Fluent模塊得到不同形狀構筑物所受的阻力，可以得出，相比于圓球形和圓柱半球形，碟形構筑物受到的黏壓阻力較小，尾流中的漩渦也會更少，在流場受力環境中會更加的穩定，因此將對碟形構筑物在不同系泊布置方案下運動響應做進一步研究，將前期Fluent模塊計算出的阻力作為水流力系數矩陣導入到Aqwa模塊再進行穩定性計算。

本文考慮的系泊布置形式可分為單索單點、三索單點和三索三點。

單索單點系泊即采用一根錨鏈進行連接，一端與構筑物連接，一端與海底相連[16]，單索單點建模如圖6所示，200和1 000 m3碟形構筑物的錨鏈布置坐標和采用的錨鏈規格參數表6所示。

圖6 單索單點系泊示意圖

表6 單索單點錨鏈參數

三索系泊即采用三根錨鏈連接，針對典型情況，設計了2種來流工況。每根錨鏈夾角為120°，海流從2根錨鏈中間流過[17]，來流工況如圖7、8所示。

圖7 來流工況1

圖8 來流工況2

三索單點系泊即將三根錨鏈連在構筑物的同一點。三索單點系泊建模如圖9所示。表7為200和1 000 m3構筑物錨鏈參數。

表7 三索單點錨鏈參數

圖9 三索單點系泊示意圖

三索三點系泊即將3根錨鏈連接在構筑物上的3個位置。三索三點系泊建模如圖10所示。表8為200和1 000 m3構筑物錨鏈參數。

表8 三索三點錨鏈參數

圖10 三索三點系泊示意圖

Aqwa模塊忽略了水流作用對構筑物產生的渦激振動，因此無法準確模擬出構筑物在渦激振動下的振動響應。構筑物在單索單點系泊方式下的運動響應如圖11所示，可以看出構筑物的運動周期非常長，這與實際情況明顯不符合，但Aqwa模塊能夠較為準確的模擬出構筑物在不同方向上的平均位移。本文的研究目的是比較不同系泊方式對構筑物在水中穩定性的影響，因此Aqwa模塊能夠滿足研究要求。

圖11 X方向位移

3.1 200 m3構筑物運動響應分析

200 m3構筑物在不同系泊方式下的運動響應如表9所示。由表可知，不同系泊方式下的構筑物都發生了不同程度上的運動。

表9 200 m3構筑物運動響應

200 m3構筑物采用單索單點固定時不能夠穩定下來，會在小幅度的范圍內不停的波動，而采用3根錨鏈固定時，2種固定方式下的構筑物都能夠穩定下來。構筑物采用單索單點固定時，沿水流方向上的位移最為劇烈，最大位移接近6 m。在3種系泊固定方式下，構筑物在Z方向上的位移都基本相同。采用三索三點系泊時，構筑物繞Y軸的轉動角度最大，達到了-6.9°，因為靠近迎流面的2根錨鏈的張力比較大，背流面錨鏈的張力較小，在浮力的作用下，導致構筑物背流面那一側高于迎流面那一側，使轉角增大。在三索單點系泊下，構筑物繞Y軸的轉角最小，只有0.65°。在2種來流工況下，各個方向上的運動響應基本相同。

圖12 Z方向位移

圖13 繞Y軸轉角

因此，從運動響應角度出發，當構筑物體積是200 m3時，采用三索單點系泊是最穩定的固定方式。

3.2 1 000 m3構筑物運動響應分析

1 000 m3構筑物在不同系泊下的運動響應如表10所示，在X方向上的位移和繞Y軸的轉角都要比200 m3構筑物小，而在Z方向上的位移要偏大一些。

表10 1 000 m3構筑物運動響應

1 000 m3構筑物采用單索單點系泊時也不能夠穩定下來，會在小幅度的范圍內不停的波動，而采用3根錨鏈固定時，2種固定方式下構筑物都能夠穩定下來。構筑物采用單索單點固定時，沿水流方向上產生了較大的位移，最大位移接近2.8 m，其次是采用三索三點系泊方式，而采用三索單點系泊方式產生的位移最小。在3種系泊固定方式下，構筑物在Z方向上的位移也都基本相同。采用三索三點系泊時，構筑物繞Y軸的轉動角度最大，達到了-2.7°，而其他2種系泊方式下的轉角都在0.34°左右。在2種來流工況下，各個方向上的運動響應也基本相同。

綜上可以得出結論，在體積為200和1 000 m3時，碟形構筑物采用三索單點固定方式的運動響應最小，采用單索單點固定方式會產生較大的運動響應，且可能會有較穩定的振動。在設定的2種來流工況下，構筑物的運動響應基本相同。

4 結論

(1)從水動力角度分析，相同體積下，碟形所受的流阻力最小，球形構筑物次之，圓柱-半球形阻力最大，所以碟形構筑物更適合在流場環境中受力。

(2)碟形構筑物采用單根錨鏈固定時，在水流的作用下會產生較大的運動響應，且不穩定。而采用3根錨鏈進行固定時，碟形構筑物的位移都較小，且基本能夠維持在穩定狀態。

(3)碟形構筑物采用三索單點系泊在各個方向上的位移會比采用三索三點系泊情況下的位移要更小。