﻿ Spar平台抗风特性数值模拟研究 Numerical Simulation Study on Wind Resistance Characteristics for Spar Platform

International Journal of Fluid Dynamics
Vol.05 No.02(2017), Article ID:20893,8 pages
10.12677/IJFD.2017.52005

Numerical Simulation Study on Wind Resistance Characteristics for Spar Platform

Wenjun Shen

Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry Communications, Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Ministry of Transport, Tianjin

Received: May 22nd, 2017; accepted: Jun. 5th, 2017; published: Jun. 8th, 2017

ABSTRACT

Based on Navier-Stokes equation, CFD software is used in the numerical wind tunnel simulation of the upper Spar platform module by three dimensional static implicit methods. The second order upwind scheme is used to discretize the governing equations, and SIMPLE algorithm is used in pressure and speed coupling. The wind loads are obtained under different direction and velocities. Finally, comparison is made between numerical results and empirical formula.

Keywords:Wind Loads, CFD, Spar Platform, Numerical Wind Tunnel

Spar平台抗风特性数值模拟研究

Copyright © 2017 by author and Hans Publishers Inc.

1. 引言

Spar平台是一种移动式平台，凭借其优良的性能和相对较低的造价，已经成为世界深海油气开采生产、处理加工和储存的主力平台类型之一 [1] [2] 。目前已经进行采油作业的Spar平台，一般可以分为四部分：上体、主体、系泊系统和生产立管系统，2~4层的矩形甲板结构组成了Spar平台的上体部分，上体结构主要进行钻探以及油井维修等作业，中间位置为井口，见图1所示。在上部模块中，包括生活区、油气处理装置以及直升机甲板等，并可以根据开采作业的要求，将钻塔安装在顶层甲板上面，以进行石油的钻探、完井以及修井作业。

Figure 1. The diagram of Truss spar

2. 数值计算方法

2.1. 控制方程与湍流模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

,;为湍流动能生成项。两方程模型由于考虑了湍流脉动速度的输运和湍流脉动长度的输运，更符合实际情况，因此得到了广泛的应用。

2.2. 计算工况的选取

3. 有限元模型的建立

3.1. 几何模型建立

Table 1. Calculation conditions

Figure 2. The diagram of wind angle

Figure 3. The geometric model of topside for Spar platform

Figure 4. The mesh model

3.2. 求解方法及边界条件的设定

2) 出流面采用压力出口边界条件，设置出口表总压为0。

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) 建筑物表面采用无滑移的壁面条件。

4. 数值结果分析

Figure 5. The flow chart for outflow field of Spar platform (Survive condition direction 0˚)

Figure 6. The wind pressure-distributing map (Survive condition direction 0˚)

5. 结论

1) 从表中数据可看出，在不同的入射风向角时，规范计算结果都要比数值模拟结果偏大，这是由于规范计算时没有建筑物之间的遮蔽效应，导致结果偏于保守。

2) 数值模拟计算结果和规范计算结果表明，两种方法计算的平台风载荷均在45˚风向入射角时达到最大值，不同风向角时风载荷的变化趋势大体相同。

3) 由于非线性原因，不同风速下的载荷并不是与风速的平方呈线性关系，但各个计算工况下均是45˚

Figure 7. The comparison of wind pressure-distributing map (0˚and 90˚)

Figure 8. Wind loads under the action of different wind angle for survive condition

Figure 9. Wind loads under the action of different wind angle for all calculation conditions

4) 通过数值风洞所得的风载荷与规范值相比，降低幅度在14%~26%之间，该平台未做风洞物理模型试验，但与其他平台的风洞物理模型试验相比，降低幅度接近 [2] [6] ，该计算结果可为Spar平台的风载荷研究提供参考依据。

Numerical Simulation Study on Wind Resistance Characteristics for Spar Platform[J]. 流体动力学, 2017, 05(02): 39-46. http://dx.doi.org/10.12677/IJFD.2017.52005

1. 1. 杨雄文, 樊洪海. Spar平台结构型式及总体性能分析[J]. 石油矿场机械, 2008, 37(5): 32-35.

2. 2. 石红珊, 柳存根. Spar平台及其总体设计中的考虑[J]. 中国海洋平台, 2007, 22(2): 1-4.

3. 3. 朱航, 马哲, 翟钢军, 谢彬, 付英军, 欧进萍. HYSY-981半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验[J]. 船海工程, 2009, 38(5): 149-152.

4. 4. 黄滢. 基于Fluent软件的建筑物风场数值模拟[D]: [硕士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2005.

5. 5. 时军. 海洋平台上的风载荷计算研究[D]: [硕士学位论文]. 大连: 大连理工大学, 2008.

6. 6. 林一, 胡安康, 熊飞. 自升式平台风载荷数值模拟与实验研究[J]. 水动力学研究与进展, 2012, 27(2): 208-214.

7. 7. 中国船级社. 海上移动平台入级规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

8. 8. 王瑞金, 张凯, 王刚. Fluent技术基础与应用实例[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.