hysy-981半潜式平台风载荷研究.docx

hysy-981半潜式平台风载荷研究 目前，国内外对海洋平台风荷载的一般方法主要包括现场观测、数值模拟和风场实验。对深水平台风载荷的研究始于20世纪80年代。我国深水工程起步较晚,缺少深水环境时海洋平台的风载荷的现场观测数据,因此,对海洋平台风载荷问题的研究仍以数值模拟和风洞实验为主。 我国即将建造的深水平台HYSY-981,上部甲板多集成生产、生活等多种功能,空间利用率高,但平台在不同入射风向角作用下的抗风特性复杂。文中分别用数值模拟和风洞实验的方法对HYSY-981平台深水半潜式钻井平台稳态梯度风作用下的抗风特性进行研究。 1 平台模型的构建和趋势的选择 1.1 平台数值模型 HYSY-981为国际第6代深水半潜式钻井平台,其主体包括2个浮体,4个立柱和1个封闭的甲板。平台采用DPS-3动力定位,作业水深3 000 m。 参照HYSY-981平台设计平台数值模型,数值模型主要参数为: 甲板(长×宽×高) 74.42 m×74.42 m×8.60 m 立柱 17.385 m×17.385 m×21.460 m 浮体 114.07 m×20.12 m×8.54 m 井架 66 m 数值模型与实际平台略有差别。实物中的细小结构及对气动力与水动力影响不大的构件均已略去;甲板简化为规则箱体,忽略上面细部结构与设备的影响;考虑风墙的遮挡与钻头的填充,数值模型忽略钻井塔孔隙率的影响。 1.2 内的风况 针对3 000 m水深海况进行计算。海域内的风况见表1。 研究平台的自存工况,此时平台吃水16 m,按规范要求取百年重现期3 s平均风速进行平台风载荷的极值计算。 2 平台风负荷值模拟 2.1 风载荷计算方法 由于平台各局部构件均为钝体,钝体绕流问题的控制方程为粘性不可压N-S方程,基于雷诺平均的控制方程可写为: ??xi(ρui)=0i=1,2,3(1)??xi(ρui)=0i=1,2,3(1) 式中:ρ——空气的密度,ρ=1.225 kg/m3; μ——动力粘性系数, μ=1.789 4×10-5kg/(m·s)。 计算过程中的湍流模型采用剪切应力运输模型,即sstk-ω湍流模型。该模型是Menter对Wilcox提出的简单k-ω湍流模型的改进,综合了k-ω模型在近壁区计算的优点和k-ε模型在远场计算的优点。 sstk-ω模型可写为: ?(ρk)?t+??xi(ρkui)=??xj(Γk?k?xj)+?Gk-Yk+Sk(3)?(ρk)?t+??xi(ρkui)=??xj(Γk?k?xj)+G?k?Yk+Sk(3) ?(ρw)?t+??xi(ρwui)=??xj(Ρω?w?xj)+Gw-Yω+Dw+sw(4)?(ρw)?t+??xi(ρwui)=??xj(Pω?w?xj)+Gw?Yω+Dw+sw(4) 式中:k——湍流动能; ω——湍流耗散率; ?Gk——由平均速度梯度所产生的k; Gω——产生的ω; Γk、Γω——k和ω的有效扩散率项; Yk、Yω——k和ω的耗散项; Sk、Sω——用户自定义的源项; Dω——横向耗散导数项。 式中各项的具体计算公式参照文献。 风载荷的计算采用三维稳态隐式解法,离散方法为二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法。定义来流风方向为x正向,计算域尺度为2 000 m×800 m×500 m,建筑物置于流域沿流向前1/3处。 2.2 压力出口边界条件 1) 进流面采用速度入口边界,风速大小沿高度分布函数取为: v=v10?(z10)0.125(5) 2) 出流面采用压力出口边界条件。 3) 流域顶部和两侧采用对称边界条件,等价于自由滑移的界面。 4) 建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件。 3 钢结构单回流开口式边界层组合结构 实验在大连理工大学DUT-1风洞中完成。DUT-1是一座全钢结构单回流闭口式边界层风洞,风洞气动轮廓长43.8 m,宽13.1 m,最大高度为6.18 m;试验段长18 m,横断面宽3.0 m,高2.5 m,最大设计风速50 m/s。 3.1 旋转偏转模型 平台的实验模型与数值模型几何相似,采用有机玻璃材料制作。模型具有足够的强度和刚度,在实验中不会发生明显的变形和振动,保证压力测量的精度。模型比尺为1∶100,与实物在外形上保持几何相似。实验中将模型放置在直径2.0 m的转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向;平台模型主尺度为长1.1 m、宽0.8 m、高1.0 m(考虑上部井架),满足边界效应影响。 由于实验模型很小,实物中的一些细小结构及对气动力影响不大的构件均已略去。平台甲板及其上部结构与立柱均为非流线型物面,绕流分离点固定,实物与模型在不同雷诺数情况下流动趋于相同,无需考虑雷诺数的影响。 3.2 模型风剖面的确定 在实验段入口处,设置涡流发生器(三角形尖劈)、粗糙元块