超深水鉆井船風(fēng)載荷預(yù)報(bào)

，，，，

(1.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司技術(shù)研發(fā)中心，大連 116600；2.必維船級(jí)社(中國)有限公司 先進(jìn)技術(shù)研究中心，上海 200011)

目前風(fēng)載荷的評估主要有現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬，以及規(guī)范計(jì)算4種方法，其中現(xiàn)場實(shí)測容易受到周圍環(huán)境的干擾，且試驗(yàn)成本高，因此在民船上的研究很少[1]；風(fēng)洞試驗(yàn)由于可靠性高，常被做為船舶與海工裝備動(dòng)力性能與載荷研究的重要手段[2]，但試驗(yàn)花費(fèi)的周期較長；隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，基于CFD 技術(shù)的數(shù)值模擬方法得到了飛速發(fā)展，在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，基于CFD技術(shù)進(jìn)行風(fēng)載荷的數(shù)值模擬也逐漸成為趨勢[3]；然而，在項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)用中，采用最廣泛的仍然是規(guī)范計(jì)算法[4]，計(jì)算方法簡單、快速?，F(xiàn)有的研究中關(guān)于風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬方法以及規(guī)范計(jì)算風(fēng)載荷預(yù)報(bào)結(jié)果之間的兩兩對比多以常規(guī)船型及海洋平臺(tái)做為研究對象[5-7]，而關(guān)于超深水鉆井船的風(fēng)載荷研究則鮮見報(bào)道。超深水鉆井船作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)離大陸且環(huán)境條件較為惡劣，常年受到風(fēng)浪流的聯(lián)合作用影響。

為更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)該類型鉆井船的風(fēng)載荷，分別通過實(shí)船尺度數(shù)值模擬和船模風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對鉆井船的風(fēng)載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)，并將用2種預(yù)報(bào)方法得到的結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果同時(shí)進(jìn)行對比分析。

1 研究對象及計(jì)算工況

以第七代超深水鉆井船作為研究對象，其主要參數(shù)信息見表1。

表1 鉆井船主要參數(shù)信息

對鉆井船的水上部分船體及上層建筑進(jìn)行建模，為提高計(jì)算效率，將次要構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)簡化，所形成的三維幾何模型見圖1。整個(gè)模型共分為12個(gè)部分，編號(hào)從P1～P12，各部分的詳細(xì)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(qū)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(qū)P11井架后部模塊P6火炬塔P12艉部模塊

2 風(fēng)載荷的數(shù)值模擬

為評估鉆井船在作業(yè)工況下的受力情況，以作業(yè)吃水10.5 m，風(fēng)速70 kn作為計(jì)算條件，同時(shí)為避免因模型尺度差異形成的尺度效應(yīng)，各工況下的數(shù)值模擬均采用實(shí)尺度模型。

2.1 坐標(biāo)系及風(fēng)向角定義

坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于船體中縱剖面、中橫剖面以及水線面的交點(diǎn)，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(fēng)載荷作用力表示為：縱向力Fx與X軸方向一致，側(cè)向力Fy與Y軸方向一致。風(fēng)載荷計(jì)算考慮12個(gè)風(fēng)向角，風(fēng)向角范圍為0°～360°，角度間隔為30°。風(fēng)向角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)定義見圖2，0°表示船艏迎風(fēng)，90°表示右舷橫向來風(fēng)。

圖2 風(fēng)向角定義

2.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

創(chuàng)建長方體計(jì)算域，計(jì)算域長度2 400 m，寬度1 800 m，高度800 m，船模置于計(jì)算域底部。為實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)向角計(jì)算，將計(jì)算域分為外域和內(nèi)域，參考物理風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤原理將內(nèi)域創(chuàng)建為可旋轉(zhuǎn)的圓柱體，可通過內(nèi)域旋轉(zhuǎn)進(jìn)行不同風(fēng)向角計(jì)算。風(fēng)向固定沿著X軸方向，通過旋轉(zhuǎn)計(jì)算域中部的船體，實(shí)現(xiàn)船體迎風(fēng)風(fēng)向(0°～360°)。不同風(fēng)向情況下，網(wǎng)格數(shù)目不同，網(wǎng)格總數(shù)在4 000萬。圖3所示計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格在船體周圍的圓柱范圍內(nèi)設(shè)置有網(wǎng)格加密區(qū)，船體物面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，參考Y+=60。

圖3 船體表面網(wǎng)格劃分示意

2.3 湍流模型及邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用RANS模型框架下的SSTk-ω模型，模型中k和ω的輸運(yùn)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(dòng)能生成項(xiàng)；vt為湍流黏性系數(shù)；V為流體黏性系數(shù)；Uj為坐標(biāo)軸xj方向上的平均速度分量；S為平均應(yīng)變率張量；F1為混合函數(shù)；β*、α、β、σω、σω2為湍流模型常數(shù)。

邊界條件設(shè)置見表3。

表3 邊界條件

采用高度變化的風(fēng)速剖面，風(fēng)速剖面參考NPD規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[9]，設(shè)定海平面上z處時(shí)均風(fēng)速U(z)為

(3)

(4)

式中：U0為海平面上10 m高處的時(shí)均風(fēng)速，這里取最小設(shè)計(jì)風(fēng)速70 kn。

圖4 風(fēng)速剖示意(U0=70 kn)

2.4 計(jì)算結(jié)果

風(fēng)載荷計(jì)算時(shí)，對水上部分的整個(gè)模型沿水平方向的受力情況進(jìn)行監(jiān)測，檢測結(jié)果見圖5。

圖5 風(fēng)載荷縱向力、側(cè)向力以及合力隨風(fēng)向角的變化

為分析各部分結(jié)構(gòu)對風(fēng)載荷的貢獻(xiàn)，對建模過程中劃分的12部分模型分別進(jìn)行受力的檢測，各部分在縱向力和側(cè)向力上的貢獻(xiàn)值在圖6中描述。

圖5中的計(jì)算結(jié)果顯示，風(fēng)載荷縱向力Fx在風(fēng)向30°，150°，210°和330°時(shí)最大，側(cè)向力Fy在風(fēng)向角60°和300°度時(shí)最大，而合力F合也在60°度和300°度達(dá)到最大值。

圖6 上建各部分對風(fēng)載荷的影響

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

風(fēng)壓力系數(shù)Cp的定義如下。

(5)

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

3 風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 風(fēng)洞介紹

試驗(yàn)在中國船舶科學(xué)研究中心閉口單回流低速風(fēng)洞進(jìn)行，試驗(yàn)段長度8.5 m，橫剖面正八角形(面積7.875 m2)。試驗(yàn)風(fēng)速3～93 m/s連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)內(nèi)容為鉆井船正浮狀態(tài)作業(yè)下吃水為10.5 m的風(fēng)載荷試驗(yàn)，風(fēng)向角0°～360°，間隔30°，將加工好的模型放入風(fēng)洞中，測量參數(shù)為鉆井船模型的風(fēng)載荷。

3.2 試驗(yàn)原理

參照風(fēng)洞中模型試驗(yàn)規(guī)程[9-10]，滿足以下相似準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)相似。模型風(fēng)向角度與實(shí)船情況一致，滿足運(yùn)動(dòng)相似。

3)動(dòng)力相似。大量模型試驗(yàn)表明，較低的試驗(yàn)風(fēng)速就能實(shí)現(xiàn)與實(shí)體原型相似的流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)繼續(xù)增加試驗(yàn)雷諾數(shù)，流體動(dòng)力系數(shù)基本保持不變。通過變雷諾數(shù)測試選定的試驗(yàn)雷諾數(shù)為1.82×106，滿足動(dòng)力相似要求。

3.3 結(jié)果對比分析

風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果對比見表4。

由表4可見，風(fēng)載荷數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大體趨勢一致。除風(fēng)向角為0°時(shí)的風(fēng)載荷合力數(shù)值計(jì)算結(jié)果較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果偏大，其他角度下數(shù)值計(jì)算結(jié)果均偏小，相比之下風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果更偏保守。兩者差異在90°風(fēng)向角下達(dá)到最大為22.5%，其他對比差異均在20%以內(nèi)，且大部分的差異集中在10%附近，表明實(shí)尺度的風(fēng)載荷數(shù)值模擬計(jì)算精度基本能夠滿足工程應(yīng)用需求。

4 風(fēng)載荷的規(guī)范計(jì)算

根據(jù)API[11]規(guī)范計(jì)算方法對70 kn風(fēng)速下的鉆井船風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算，通過將全船結(jié)構(gòu)離散成多個(gè)構(gòu)件模塊，再疊加各組成構(gòu)件的載荷獲得總的風(fēng)載荷。并將計(jì)算結(jié)果分別與數(shù)值模擬結(jié)果、風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，見表5。

表4 風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比 kN

表5 風(fēng)載荷規(guī)范計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)對比

由表5可見規(guī)范計(jì)算結(jié)果較數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果均大，差別最大的2個(gè)工況點(diǎn)分別是風(fēng)向角0°和。在0°風(fēng)向角時(shí)規(guī)范計(jì)算結(jié)果較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果高出62.9%； 180°風(fēng)向角時(shí)規(guī)范結(jié)果較數(shù)值模擬結(jié)果高出55.9%。迎風(fēng)和順風(fēng)狀態(tài)下規(guī)范計(jì)算的結(jié)果偏大的最多，一方面說明船舶在迎風(fēng)和順風(fēng)狀態(tài)下上層建筑的相互遮蔽最為明顯，另一方面也反映出規(guī)范計(jì)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(yīng)的影響。觀察規(guī)范計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果從0°～180°以及180°～330°風(fēng)向角兩者的誤差均呈現(xiàn)先減小后又增加的趨勢，且在90°和270°2個(gè)風(fēng)向角下誤差達(dá)到最小。從整體來看，規(guī)范計(jì)算結(jié)果最大，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果次之，數(shù)值模擬的結(jié)果最小，且規(guī)范計(jì)算的結(jié)果明顯大于后2種風(fēng)載荷預(yù)報(bào)結(jié)果，最為保守。

5 結(jié)論

1)由于在CFD數(shù)值模擬中，計(jì)算模型為剛性固體，固定無自由運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)發(fā)生振動(dòng)，以及風(fēng)洞試驗(yàn)中尺度效應(yīng)的影響、風(fēng)剖面模擬存在誤差等原因，數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)載荷預(yù)報(bào)結(jié)果難免存在差異，但從整體來看數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，具有較好的計(jì)算精度。

2)通過數(shù)值模擬分析可以得到的詳細(xì)流場信息，并能夠?qū)缀文Ｐ腿我獠鸱?，?dú)立監(jiān)測某一部分的受力情況，為區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明船體、井架和船艏生活區(qū)為風(fēng)載荷主要來源可通過優(yōu)化這3個(gè)主要部分的外形來降低風(fēng)載荷。

4)相較于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)載荷由于并未充分考慮遮蔽效應(yīng)的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過于保守，對于后續(xù)的動(dòng)力定位能力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均產(chǎn)生較大影響。

5)與風(fēng)洞試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬方便進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的對比和篩選，節(jié)省大量的人力物力，建議在設(shè)計(jì)初期采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行風(fēng)載荷評估及上層建筑優(yōu)化。