HYSY-981半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验

HYSY-981半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验 第,,卷第,期 ,,,,年,,月 船海工程 ,,，,,,,,,,,,,，,,,,，,, ,,,(,,,,(, ,;,(,,,, ,,，:,,(,,,,,,(,,,,,(,,,,—,,,,(,,,,(,,(,,, ,,,,,,,,半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验 朱航,，马哲,。翟钢军,，谢彬,，付英军,。欧进萍,,, (,(哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨,,,,,,; ,(大连理工大学土木水利学院，辽宁大连,,,,,,;,(中海石油研究中心，北京,,,,,,) 摘要:针对我围深海油气开发拟采用的,,,,,,,,半潜式平台 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制作了,:,,,比例模型，利用风洞实验进行稳态梯度风作用下的抗风特性实验和测定，计算百年重现期的平台整体的风载荷。基于,,,方程，选择剪切应力运输湍流模型、二阶迎风格式离散 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和三维稳态隐式解法对,,,,,,,,半潜式平台进行构件平均风压分布、形状系数和平台整体的风载荷数值模拟计算。风洞实验结果与数值模拟计算结果基本吻合，验证了数值模拟方法的适用性与——————————————————————————————————————————————— 实用性。 关键词:半潜式平台;风载荷;数值模拟;风洞实验中图分类号:,,,,(,,，,;,,, 文献标志码:, 文章编号:,,,,—,,,,(,,,,),,—,,,,,,, 目前国内外研究海洋平台风载荷的常用方法主要有现场观测、数值模拟和风洞实验。对深水平台风载荷的研究始于,,世纪,,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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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,,,,一,,,，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,,,,,,,,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。, 立柱,,(,,,,×,,(,,,,×,,(,,,浮体,,,(,,井架,, ,,， ，,， ,,,,(,,,,,(,, ,,, ——————————————————————————————————————————————— 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。,(,风况条件 针对,风况见表,。 表,海域的风速极值 ,,, ,,, ，,，水深海况进行计算。海域内的 平台的模型建立及风况的选择 ,,,,,,,,为国际第,代深水半潜式钻井 ,(,平台模型的建立 平台，其主体包括,个浮体，,个立柱和,个封闭的甲板。平台采用,,,,,动力定位，作业水深 ,,,,,。 研究平台的自存工况，此时平台吃水,,风载荷的极值计算。 ,,，， 按规范要求取百年重现期,,平均风速进行平台 参照,,,,,,,,平台设计平台数值模型，数值模型主要参数为: 甲板(长×宽×高),,(,,,×,,(,,,×,,,, ,平台风载荷的数值模拟 ——————————————————————————————————————————————— ,。,控制方程与湍流模型 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,,,方程，基于雷诺 收稿日期:,,,,—,,,,,修回日期:,,,,—,,—,, 作者简介:朱航(,,,,一)，男，博士生。研究方向:深水平台设计与研究。 ,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,(,,, 平均的控制方程可写为: 意(?,),,滓,，,，, (,) 爱(,,,‘,)，去(』,,‘?), ,,, 第,期 船海工程 第,,卷 一差,矗(差)，去(,,,讽)歹一 式中:厂空气的密度，,,,,(,,, ,，,，, (,) ,,,,,; ——————————————————————————————————————————————— ,——动力粘性系数， 口一,(,,,,×,,’,,,,(,?,)。 计算过程中的湍流模型采用剪切应力运输模 型，即,,,,,,湍流模型。该模型是,,,,,,对 ,,,;,,提出的简单,湍流模型的改进，综合了 ,,,，模型在近壁区计算的优点和是,,模型在远场计算的优点。 ,,, ,,,)模型可写为: 掣，去;融?一去(,差)， ,—,，,。 (,) 掣，去(掣。)一丢(,罢)， 瓯一,甜，,。，‰(,) 式中:志——湍流动能, ;厂湍流耗散率; ,——由平均速度梯度所产生的,; 瓯——产生的山; ,、,——忌和叫的有效扩散率项; ,、,——忌和?的耗散项;,,、,——用户自定义的源项;眈——横向耗散导数项。 式中各项的具体计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 参照文献,,,。风载荷的计算采用,——————————————————————————————————————————————— 维稳态隐式解法，离散方法为二阶迎风格式，压力一速度耦合采用,，,,,，。,算法。定义来流风方向为,正向，计算域尺度为, ,,,,,,,,,,×,,, ，,，，建筑物置于流域 沿流向前,,,处。,(,边界条件的设定 ,)进流面采用速度入口边界，风速大小沿高度分布函数取为: ，?、,(,,, ,一蛳。(南) ‘,) ,)出流面采用压力出口边界条件。 ,)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。 ,)建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件。 ,平台风洞实验 实验在大连理工大学,,,,,风洞中完成。 ,,, ,,,,,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,,(,,，宽,,(,,，最大高度为,(,,,;试验段长,,,，横断面宽,(,,，高 ,(, ,，最大设计风速,,,,,。 ,(,实验模型 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,:,,,，与实物在外形上保持几何相似。实验中将模型放置在直径 ,(, ，,,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,(,,、宽,(,,、高,(,,(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，绕流分离点同定，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。,(,实验风速与风向 在实验段入口处，设置涡流发生器(,,,,(角形尖劈)、粗糙元块等装置，均匀流经过以上装置后涡流损失将随高度变化，由此实现流速随高度变化。调整上述装置的尺寸及相对距离，使模型区达到需要的风剖面。由于实验设定平台处于自存工况，此时考虑平台移动速度的影响，风速剖面指数调整为,,,,。 设定整体坐标系中入射风方向为,轴正方向，风洞下壁面平面内垂直于,轴方向,轴方向，垂直于风洞下壁面向上为,轴方向，坐标系原点为平台底面形心。 平台关于,轴和,轴均为对称，入射风向角为平台浮体水平方向与,轴正方向的夹角，其变化范围为逆时针,,,,。，实验时每隔,,。记录平台模型测点的风压时程数据。 ——————————————————————————————————————————————— , 结果分析 ,(,平台各构件形状系数的风洞实验结果 平台主体部分可分为立柱，甲板，井架三部分，实验测定各部分在不同风向角下的形状系数，以便可以更准确地计算平台的风载荷。 甲板为,,(,, ，,，×,,(,,,×,(,, ，,，的箱 体，关于,轴和,轴均为对称;立柱长宽均为 ,,(,,, ,，不考虑平台倾角时立柱水面上高度为 ,,,,,,,,半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验——朱航，马哲，翟钢军，谢彬，付英军，欧进萍 ,, ,，计算时不考虑立柱间的遮蔽效应，计入立 柱全部的投影面积;井架由于形状的不同，可分为上部与下部，其中，下部为,,,,,,,,,,,的长方体，而上部为高,,,的尖体。二者均关于,轴和,轴对称，图,为平台在,,,,。入射风向角时各构件的形状系数。 ,, ”旧繇垛篓碘 鸲,? ——————————————————————————————————————————————— , ,, ,, ,,,,,,, 入射风向角,(,) 图,平台各构件的形状系数 由于不同入射风向角情况下各局部构件所对应的迎风面横截面积不同，平台各局部构件的形状系数随人射角的变化呈现不规则变化。图,的实验结果表明，当入射风向角为,。时，井架的顶部与底部、甲板的形状系数达到最大，其值分别为,(,,,、,(,,,和,(,,,。当入射风向角为,,。时，立柱的形状系数达到最大，其值为,(,,,。而文献,,,上规定的形状系数未考虑入射风向角的影响，对井架、甲板和立柱的形状系数规定的取值分别为,(,,、,(,,和,(,,。对比文献,,,，实验所得的各构件的形状系数更为真 实，且各构件形状系数的最大值比文献,,,规定 值略偏大。 为了进一步研究不同入射风向角情况下平台风载荷的规律，下面比较在百年重现期南海热带飓风海况下，平台各局部构件所受的风载荷。,(,平台各构件风载荷的风洞实验结果 图,列出了在百年重现期南海热带飓风海况下，平台在,,,,。入射风向角时甲板、立柱和井架上的风载荷。 ——————————————————————————————————————————————— 图,的计算结果表明，平台各局部构件的风载荷随入射风向角的变化，呈现着相同的变化规律，当入射风向角为,,。时，平台各局部构件的风载荷均达到最大值。 堇 辖 篓 图, 酉年重现期海况不同入射风向角情况下平台各构件的风载荷 ,(, 平台整体风载荷的数值计算及风洞实验结果平台整体风载荷由各局部构件风载荷叠加而 得。,,,,,,。入射风向角下平台风载荷的风洞实验结果与数值计算结果见图,。 图,平台风载荷的实验结果与数值结果对比 图,的计算结果表明:平台整体风载荷的数值计算结果与风洞实验结果趋势一致，二者均在入射风向角为,,。时达到最大值。当入射风向角为,,。时，数值计算结果偏小，偏差约为,,,，其余风向角情况下二者基本吻合。数值计算结果的精度可以达到工程应用要求。,(,平台倾角对风载荷的影响 由于平台在,,,,,。入射风向角时风载荷较大，分别以,,。、,,。、,,。入射风向角为例，通过数值计算方法，研究平台与水面倾角对平台整体风载荷的影响。设定以平台迎风处向下倾斜为负倾——————————————————————————————————————————————— 角，向上倾斜为正倾角。在百年重现期南海热带飓风海况下，平台与水面倾角为一,,,,,。时平台整体风载荷的变化规律见图,。 ,,, 第,期 船海工程 第,,卷 ,,。时，各构件上的风载荷达到最大。 ,)平台整体风载荷的数值计算结果与实验 柱 囊 结果基本吻合。但是当入射风向角为,,。时，数值计算结果偏小，偏差约,,,。 ,),,。、,,。、,,。入射风向角工况下，平台与水面倾角为,,。时风载荷达到最大值，其最大值与平台倾角为,。时的风载荷相比，分别增大了,(,,,、,(,,,、,(,,,。 平台与水面的倾角，(。) 誓 嘉 牛 参考文献 ,,,,,,，,,,,,,,,, ,, ——————————————————————————————————————————————— 图,平台倾角对风载荷的影响 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 图,的计算结果表明，倾角对平台的风载荷有一定影响。以风向角为,,。时的情况为例，其最大值与最小值相差为,,,。各风向角工况均在平台与水面倾角为,,。时，平台的风载荷达到最大值。其最大值与倾角为,。时的平台的风载荷相比，,,。、,,。、,,。入射风向角工况下风载荷分别增大了,(,,,、,(,,,、,(,,,。, 口,(,;,,,,,,,,,,,,,,，,,,,，,,(,):,,,—,,,(,,,,,),,,,，,,,,,,,,(,,,,,,;,,,,;,,,, ,,,,, ,, ,,,, ,,,,,,,,,,;,,,,,;,,,,—,;,,,,;,,,,,,,,— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,;,,;,,,,,(,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,;,，,,,,，,, ，,,,,,,,,, (,):,,,,,,,( ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, , ,，,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, 结论 ,)通过风洞实验得到的平台在不同入射风 ,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,，,,,,,,,，,,,,,， ,,,,:,,,,, ,,(,,,,,,,( 向角下各构件的形状系数更为精确，且最大值比文献,,,,规定取值略为偏大。 ,)平台各局部构件上的风载荷随入射风向角的变化呈现相同的变化趋势，当入射风向角为 ,,,王瑞金，张凯，王刚(,,,,,,技术基础与应用实例 ,,,(北京:清华大学出版社，,,,,( ,,,中国船级社(海上移动平台人级与建造规范,,,(北 京:人民交通,,,版社，,,,,( ,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,;,,,, ,,,(, , ,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,一,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,，,，,,,,,，,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,’, ,,,,,，, ,,,,，,,,， ,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,，,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,，,,,,,; ,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,; ,(,,((,),,,,,,,;, ;,,,,,，,,,,,,,,,,,,,，,,,,,) ——————————————————————————————————————————————— ,, ,,,,,,;,:,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;;,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,(,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,谢,,,,,,;,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,;;,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,, ,,,,,,,;,,,, ,,,, ,,,一,,,,,,, ,,,, ,,,,,, ,,,,,,,(,,, ,,, ,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,？,,,,,,，,,, ,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,, ,, ,,,，,,,,,,，,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,, ,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,— ,,,,,:,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,, ,,,, ,,, 作者: 作者单位:朱航， 马哲， 翟钢军， 谢彬， 付英军， 欧进萍朱航(哈尔滨工业大学,土木工程学院,哈尔滨,150090)， 马哲,翟钢军(大连理工大学,土木 水利学院,辽宁,大连,116023)， 谢彬,付英军(中海石油研究中心,北京,100027)， 欧进萍 (哈尔滨工业大学,土木工程学院,哈尔滨,150090;大连理工大学,土木水利学院,辽宁,大连 ,116023) 本文读者也读过(10条) 1. 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