基于粘流理论的半潜式平台气隙数值计算方法研究

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(1.江苏科技大学， 江苏 镇江 212003； 2. 大连船舶重工集团设计研究所， 辽宁 大连 116052)

基于粘流理论的半潜式平台气隙数值计算方法研究

王志东1,陈茂侨1,凌宏杰1,戴挺2,庄丽帆1

(1.江苏科技大学，江苏镇江212003； 2.大连船舶重工集团设计研究所，辽宁大连116052)

以工作水深为250 m的半潜式平台为研究对象，基于粘流理论开展了有义波高H1/3=8.0 m，跨零周期Tz=7.23 s、7.67 s；有义波高H1/3=10.0 m，跨零周期Tz=8.08 s、9.0 s、9.7 s、10.7 s，浪向角β=0°、30°、 45°、60°、 90°，共计30个工况下半潜式平台六自由度运动响应的数值计算，自编程序开发了半潜式平台气隙量计算的后处理软件，研究了半潜式平台波浪载荷作用下的气隙变化规律。

半潜式平台；气隙量； 粘流理论

0 引言

目前，半潜式平台广泛应用于深海油气田的勘探开发中。半潜式平台性能优良、稳定性能好、作业可靠性强、工作水深范围广、抗风浪能力强，能够适应较恶劣的海况条件，对深水海域开发和利用有着广泛的应用前景。然而近几年频繁出现的超强飓风以及极端恶劣的海况对平台的安全性能造成了很大的影响，准确地预报平台气隙是半潜式平台设计过程中一个极为关键的过程。气隙是指波浪表面至海洋平台下层甲板底部的垂直距离，在半潜式平台设计中，如果气隙不足会造成波浪砰击平台，损坏甲板和设备，影响平台的安全。

国内外学者和工程研究人员对半潜式平台气隙响应预报方法进行了深入地研究。Winterstein 和Sweetman[1-4]选定半潜式平台进行模型试验，分别采用WAMIT和WACYL两款流体力学软件进行数值计算，对比模型试验和数值计算表明二阶波浪力对于平台气隙量产生重要影响，采用极限统计模型对半潜式平台周围的最小气隙分布进行了研究。David Kriebel 和Louise Wallendorf[5]选取了一个比例为1∶70的大型半潜式平台模型(MOB)进行试验，对不规则波下平台气隙进行了研究。Finn Gunnar Nielsen[6]介绍了线性频域、二阶时域方法以及完全非线性时域方法，为后面采用非线性波预报极限气隙提供了依据。Stansberg[7]利用势流软件 WIMIT 对半潜式平台周围的波高和气隙响应进行了数值模拟，并且采用 Flow-3D 软件对半潜式平台进行了简化，模拟了二维甲板上浪的过程。Kazemi和Incecik[8]等利用基于加权残值理论的直接边界元法对半潜式平台的气隙性能进行了初步预报。Bogdan[9]等利用 Comflow 软件对平台开展了理论研究，并通过求解 N-S 方程结合改进的 VOF 方法来预报平台的气隙性能并捕捉平台周围的波浪爬坡和上浪现象。在国内，马巍巍、余建星、于皓[10]对平台气隙进行了数值预报，并研究了平台垂荡运动和波浪运动对平台气隙性能的影响。曾志、杨建民[11、12]等以一座250 m水深半潜式钻井平台为例,对其在5种海况下的气隙响应进行了数值计算, 并引入了一种新的试验数据处理方法与相应的模型试验相比较。朱航[13]采用时域模拟的简单格林函数法对半潜式平台的气隙响应进行计算，得到了平台甲板下表面各点的气隙响应时程曲线。

该文采用粘性流体计算软件FINE/Marine，结合自开发后处理软件对半潜式平台30个计算工况下的气隙数值进行预报，并对有义波高、浪向角以及特征周期对平台的负气隙量影响进行了分析。

1 半潜式平台模型的建立

该半潜式平台为双浮体、 双横撑、 四立柱, 对称于中纵剖面及中横剖面, 其工作水深 250 m。半潜式平台的主要参数见表 1 。

表1 半潜式平台主要参数

半潜式平台的三维建模及网格划分如图1、图2所示，为了提高计算精确度及准确性，该文对半潜式平台模型进行局部网格加密，且保证网格的正交性交角在80°～90°内的网格数占90%以上。

图1 半潜式平台表面网格分布示意图 图2 半潜式平台整个计算域网格分布示意图

2 半潜式平台计算工况和测点位置

半潜式平台工作水深为250 m，对其在6种海况(见表2)、5个浪向角(0°、30°、 45°、60°、 90°)共计30个计算工况下的半潜式平台运动和气隙响应分别进行了数值预报研究。

表2 计算海况

图3 半潜式平台入射波浪向角示意图

表3 半潜式平台悬链线属性

图4 半潜式平台下甲板观测点位置示意图

图5 悬链线的设定示意图

为了对半潜式平台的气隙变化进行准确监控，在自由面及平台下甲板分别均匀对称地选取88个观测点。半潜式平台入射波浪向角示意如图3所示，平台下甲板观测点布置如图4所示。

半潜式平台系泊系统分析采用8根锚链线，每个立柱的拐角处分别布置2根。表3为半潜式平台悬链线的属性，图5介绍了系泊系统分析中使用的坐标系以及锚链线编号。

3 气隙计算后处理软件分析

基于MATLAB语言开发了气隙后处理软件，根据计算得到半潜式平台在波浪中六自由度运动响应值和平台下甲板观测点的波面升高响应值，将二者叠加求得观测点的相对波面升高响应值，从而得到各工况下的观测点气隙历时曲线及观测点的气隙,用于分析半潜式平台的波浪载荷作用下的气隙变化规律。

图5 后处理软件计算下甲板观测点的实时坐标 图6 后处理软件计算波面观测点曲线

4 半潜式平台气隙的数值预报统计分析

根据观测点气隙量数值预报结果绘制了有义波高H1/3=10 m，浪向角β=0°时，不同跨零周期的负气隙云图(如图7所示)。可以看出，当有义波高、浪向角一定时，平台的负气隙量随着波浪跨零周期的增大而增大，当波浪谱峰周期接近平台垂向固有周期10.6 s时，平台发生共振现象，垂荡运动较为剧烈，在立柱周围和平台四周会产生较大的负气隙量。

图7 不同跨零周期下(H1/3=10.0 m，β=0°)平台的负气隙分布云图

根据观测点气隙量数值预报结果绘制了有义波高H1/3=10 m，跨零周期Tz=9.7 s时，5个不同浪向角下的负气隙云图(如图8所示)。可以看出，波浪入射方向不同不仅对于平台负气隙出现的位置有影响，还对负气隙量的大小产生影响。当浪向角为0°时，平台出现最大负气隙7.04 m，而且负气隙均出现在半潜式平台下甲板的四周边缘位置和立柱周围，在立柱的外角隅区域容易上浪造成危险，因此需在平台结构设计时进行局部加强保证平台的安全，而平台下甲板中间区域只会出现一些小面积的砰击，一般不会出现负气隙。

图8 不同浪向角下(H1/3=10.0 m，Tz=9.7 s)平台的负气隙分布云图

图9 有义波高10 m，不同跨零周期对应的最大负气隙量

根据观测点气隙量的数值预报结果绘制了有义波高10 m时，不同浪向角下最大负气隙量随特征周期变化的曲线(如图9所示)。浪向角β=0°、β=30°、β=45°、β=60°、β=90°，负气隙量在Tz=9.7 s和Tz=8.08 s出现两个峰值，分别为7.04 m、5.65 m； 5.28 m、6.81 m； 5.71 m、4.67 m； 3.43 m、5.23 m； 4.02 m、3.83 m。可以看出，当有义波高H1/3=10 m，浪向角一定时，随着波浪跨零周期的增加，负气隙量也随着增加。当跨零周期Tz=8.08 s(谱峰周期Tp=10.6 s)时，平台负气隙量会出现峰值，由于平台垂向固有周期为10.6 s，此时波浪的能量集中于平台共振区附近，导致平台垂荡运动响应剧烈，出现了一个较大的负气隙量。

当有义波高8 m时，根据观测点气隙量数值预报结果绘制了不同浪向角下最大负气隙量随着特征周期变化的曲线(如图10、图11所示)。当有义波高H1/3=8 m，浪向角β=0°、β=30°、β=45°、β=60°、β=90°时，负气隙量在Tz=7.23 s和Tz=7.67 s分别为2.71 m、3.2 m； 3.14 m、4.02 m； 2.74 m、3.23 m； 1.74 m、2.45 m； 0.70 m、1.32 m。有义波高H1/3=8 m时，波浪产生的负气隙量值相比于有义波高H1/3=10 m波浪产生的负气隙值明显要小很多，甚至在有些浪向角没有负气隙，说明有义波高的大小对平台负气隙量的影响极大。

图10 有义波高8 m，跨零周期 Tz=7.23 s对应的最大负气隙量 图11 有义波高8 m，跨零周期 Tz=7.67 s对应的最大负气隙量

5 结论

基于粘性理论对半潜式平台气隙响应预报方法进行了研究，定量分析了半潜式平台不同浪向角、特征周期及有义波高对平台气隙量的影响，得出了如下几条结论：

(1)有义波高10 m时平台负气隙量比有义波高为8 m时大，负气隙量随有义波高的增加而增加。

(2)当有义波高、跨零周期一定时，波浪入射方向不仅对平台负气隙出现的位置有影响，还会对负气隙量的大小产生一定影响。浪向角为0°时，平台有最大负气隙量7.04 m。

(3)当有义波高、浪向角一定时，平台的负气隙量随着波浪跨零周期的增大而增大，但当波浪谱峰周期接近平台垂向固有周期10.6 s时，平台发生共振现象，垂荡运动较为剧烈，产生较大的负气隙量，有义波高为H1/3=10 m引起的最大负气隙量为6.81 m，有义波高为H1/3=8 m引起的最大负气隙量为4.02 m。

(4)平台下甲板的边缘处较于间区域更容易出现负气隙，只有在有义波高为10 m，跨零周期为10.7 s，甲板出现入水的情况下，下甲板中间区域才会出现较大负气隙量，而且在立柱的外角隅区域容易上浪造成危险，需在平台结构设计时进行局部加强保证平台的安全。

[1] Winterstein S R, Manuel L. Air gap response of floating structures under random waves: Analytical predictions based on linear and nonlinear diffraction[C]. Department of Civil Engineering Stanford University,1999.

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[11] 曾志，杨建民，李欣，等. 半潜式平台气隙数值预报[J]. 海洋工程， 2009，27(3):14-22.

[12] 单铁兵，杨建民，李欣. 半潜式平台气隙性能的研究进展[J]. 中国海洋平台，2011，26(2):1-7.

[13] 朱航. 半潜式平台运动性能与活动垂荡板减振系统研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学学位论文,2011.

TheNumericalCalculatingStudyonAirGapoftheSemi-submersiblePlatformBaseonViscousFlowTheory

WANG Zhi-dong1, CHEN Mao-qiao1, LING Hong-jie1,DAI Ting2, ZHUANG Li-fan1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China; 2.Institnte of Design, Dalian Shipbuilding Industry Co., Ltd, Liaoning Dalian 116052, China)

The research object of this paper is a semi-submersible platform with the depth of 250 meters, the numerical calculation to the six freedom responses of the submersible platform based on viscous flow theory in total 29 conditions, including significant wave height is 8m, wave period is respectively 7.23s、7.67s, and significant wave height is 10m,wave period is respectively 8.08s、9.0s、9.7s、10.7s.Each sea state has 5 wave angles, respectively 0 °, 30 °, 45 °, 60 °, 90 °. Self-programme the post-processing software of the submersible platform which can calculate the air-gap, and study the variation of the air gap under the wave loads of semi-submersible platform.

semi-submersible platform； air gap； viscous flow theory

2014-07-25

王志东(1967-)，男，教授。

1001-4500(2015)01-0035-07

P75

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