当下深海半潜式平台的涡激运动模拟外文翻译资料

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当下深海半潜式平台的涡激运动模拟

Chia-Rong Chen，Hamn-Ching Chen

Texas Aamp;M University

摘要

随着近年来深水半潜式平台的发展，半潜平台的涡激运动成为了一个很重要的议题。作为增加吃水的后果，半潜式平台很容易产生相关性旋涡分离，并且涡激运动增加明显。由于多立柱旋涡分离的尾流干扰，半潜式平台的涡激运动比spar型和单柱船体更复杂。在本研究中，数值模拟是对于具有45°入射角的四方形支柱的半潜式平台进行的，并允许有纵荡，横荡和艏摇运动。计算方法是运用有限分析的NS代码与运动嵌套网格方法相结合。并且计算是从预锁定到锁定后状态在一个比较大的范围换算速度进行的。我们对于全尺寸和1:70的平台模型都进行了研究并得到了详细的结果用以检查尺度效应。此外，我们模拟了三个角的几何图形，并发现半潜涡激运动对圆角很敏感。我们以实现数据比较的方法来证明本CFD方法的效果。

1.引言

随着近年来深水半潜式平台的发展，半潜式平台的涡激运动成为一个很重要的议题。由于增加了吃水以满足在深水中的有效载荷要求，半潜式平台易受相干涡流分离的影响，平台涡激运动显著增加。这种现象大大影响了系泊系统和立管的疲劳寿命，海工产业已经进行了许多模型试验来解决这个问题。由于从多立柱的旋涡分离导致的的尾流干扰，半潜式平台的涡激运动比spar型和单柱船体的更复杂。半潜式平台的实验工作已由Waals （2007）Rijken和Leverette (2008), Hong等(2008), Magee等(2011), Xu(2012) 和 Goncalves等(2012)发表。最近以来，产生了很多非传统形式的半潜式平台以减小涡激运动。Xu等人对于立柱基础加上水泡的半潜式平台发表了模型试验，而Zou和Antony等对干树对称立柱式设计惊醒了模型试验。不过，本研究仅针对传统形式的半潜式平台。总体来说，深海半潜式的涡激运动的特征在于三个自由度的运动，即纵荡、横荡和艏摇运动，横荡运动为最主要关心的方面。模型试验通常在1:50和1:100，换算速度是最重要的用于解释运动响应的参数。大多数的模型试验表明最大的横荡运动，即锁定条件，是在半拖情况下角度在45度速度在6-8之间。这些可以在Waals，Rijken和Leverette，Xu和Goncalves等的研究中得出。当结构响应频率几乎与旋涡分离频率相同时，锁定发生的响应运动以几乎恒定的振幅和周期振荡。

许多研究人员关心的是，全尺寸结构是否具有比模型测试中更加扩大的响应。Rijken和Leverette警告说，雷诺数的减少可能会产生不同的粘性流，导致模型与原型之间的不同响应。Roddier等测试了三种不同尺度的spar模型，并显示在低雷诺数下完成的振幅较高，但为了原型提供更准确的预测，需要进行高雷诺数的测试。Rijken和Leverette以及Ma等人发表的对于深水半潜式涡激运动的场的测量都显示了比模型试验预测的小。然而，场的测量和模型试验之间的差异可能是由几个因素共同引起，如与立管和系泊系统的阻尼和场流轮廓与均匀流条件在模型流域相比。通过CFD模拟是最现实的检查模型和原型之间尺度效应的方法。Kim（2011）就使用了AcuSlove和StarCCM 来模拟张力腿平台。Tan等人用StarCCM 模拟了两种不同类型的半潜式平台的涡激运动。Xu等人也与运用了AcuSolve。这些运用商业代码进行CFD计算的只能限制于一些换算速度内。Lee等人运用有限分析的NS代码并覆盖了一个更大区域的换算速度中。他们的结果产生了典型的预锁定，锁定和后锁定行为。然而，他们没有试图与现有的模型测试进行比较。本研究的目的是通过对模型和全尺寸平台大范围内的换算速度的系统数值模拟来研究比例定律的有效性，并与实验数据进行比较。还研究了由立柱的小圆角引起的几何影像。在我们的模拟情境下，是一个流从45度入射并可以纵荡、横荡和艏摇运动的传统四方柱的深水半潜式平台。

1. 数值方法与研究计划

2.1方法

在本研究中，Chen等人的有限分析NS数值方法 （1990）和Pontaza等人 （2005）的研究用于解决不稳定，不可压缩的NS方程。使用完全并行化的多块超集网格方法来适应半潜式船体，半流和梁支撑之间的复杂流动和相对运动。船体表面上的压力和剪切应力集中形成以获得力和力矩，并且用六自由度运动程序解决纵荡，横荡和艏摇运动。Lee等人也运用了同样的代码并选择了Chen和Patel的双层k–ε湍流模型。在目前的研究中，结构周围的湍流边界层和尾流是通过大涡模拟（LES）来解决的，这被证明能够提供均匀和剪切流下的深层立管的涡旋振动（VIV）串联和并排布置的双提升管的涡流和尾流引起的振动（WIV）的准确预测。分离的涡流模拟（DES）也进行了实验，并与大涡模拟进行了比较，在第3.1节中的来自两个湍流模型的半潜式涡激运动的差异在收敛测试中显示为微不足道。

在有限分析方程式中，平均动量和湍流量的运输方程在每个数值单元内局部线性化，压力梯度项被视为已知的源函数。利用线性方程组的解为自然边界条件的每个元素的边缘，NS方程的求解利用分离变量法在未知相邻节点的值的速度分量和压力方面获得局部解析插值。相关系数与当地分析插值的局部速度场函数和响应分析的局部流动条件相联系。此外，内插系数满足零级和一阶一致性要求，并且始终为正。这些特性确保了高雷诺数下的杂散能量模式和稳定方案。数值方案由Chen、Korpus和Pontaza等人的混合SIMPLER / PISO压力求解器完成。其满足每个时间阶段的连续性方程。局部分析内插器被构造在变换的空间中，因此在实际应用中处理复杂几何的曲线元素采用笛卡尔坐标系。此外，还采用了多块重叠网格算法。这是为在涉及嵌入和重叠网格的复杂几何的判断网格细化中具有极大的灵活性。在重叠区域的边缘处实现了用于网格间通信的质量保守的拉格朗日插值。这允许在各种计算块之间有效地模拟任意大的运动，而不需要繁琐和昂贵的网格再生和网格变形监测。对剧烈的自由表面流动问题，有限分析NS的方法已成功地与Chen和Yu的飓风波浪载荷对海洋平台的仿真和Chen的随机海浪中艏艉砰击问题相结合运用。

2.2半潜式平台模型与梁结构

我们选择了Waals等人的四方柱、四浮筒的深海半潜式平台作为模拟结构。图一描述了侧视图草图中圆形的尺寸。柱宽L为14m，通风35m，浮筒上方柱高为24.5m。质量为4.4x10⁷ kg。半潜式平台长度和宽度不提供，估计为70米。惯性矩也不知道，估计为4.97x10 ¹⁰平方米，回转半径为33.6米。模型测试以1:70的比例进行。因此，对于原尺寸和1:70比例都进行计算。在纵荡、横荡和艏摇的涡激运动研究中，自由表面效应可以忽略不计，所以在模拟中只考虑浮体的淹没部分。

这些立柱在Waals的模型内是尖角。如果是圆角或者是较缓的曲率将会更有意思。可能这就成为了在半潜式涡激运动中不可忽视的因素。在Antony等人的风动实验数据中，圆角效应在与固定方柱实验的比较中可以被清晰地看出来。对于更尖锐的情况，在所有入射角下测量得到更高的阻力系数，而升力系数通常较小，并取决于入射角。除了立柱几何形状外，浮箱的几何形状也可能影响深水半潜式的涡激运动。然而，目前的工作只集中在立柱的几何效应。在这项研究中使用了两个角半径，图2（a）为立柱的横截面的四分之一的截面。

我们使用结构化的多块超级网格。立柱宽L = 14 m作为特征长度。图3（a）中表示出了浮体周围的网格结构。每一个立柱都围绕着两个交叉块。对于D=1.283L的半潜式每一个块尺寸为82x50x61。对于角度更尖的图形为82x51x61。四个附体分别由尺寸为102x31x66和102x48x62的四个L型的栅格块装配在便捷并覆盖。这些尺寸是依照周向，径向和轴向的顺序。对于原尺寸平台，近壁间距设置为10 ^-5L，锁定范围为2-3，换算速度为6-8。对于1:70比例，使用10^-4 L间距，范围为0.05-0.2（换算速度4-20）。还有几个小块也用于立柱和浮箱之间的联系。总的来说，为了解决近壁流场问题，对于D = 1.283 L的半潜式用了291万个节点，对尖角的用了331万个。流沿x轴方向，浮体初始重心位置置于x=0，y=0处。模拟域为-11lt;x/Llt;30,16lt;y/Llt;16,-11lt;z/Llt;0,正如图三所表示。一个精细网格流域为-5.5lt;x/Llt;16,-6.255lt;y/Llt;6.255,以及-3.1lt;z/Llt;0。这被用于解决浮体的周围流场。x和y方向的网格尺寸为了模拟远场海洋而显著增加。这些固定背景网格分别添加了275万和340万个网格点，并分为13个块。总之，有547万个网格点用于D = 1.283 L的平台，而D = 1.385 L则为611.7万个。工作负载分布在Linux集群中的24个处理器中进行计算。 对于D = 1.385 L的网格数量加倍的网格细化研究也将在3.1节收敛测试中给出。

在入口规定了流速作为边界条件。而诺曼条件和压力线性化都在出口作为边界条件。对于自由表面（z=0平面）运用对称条件，并用远场条件作为模拟流场的其他边界条件。每个计算的时间步点的挂钟时间为大约19到23秒。时间增量选择为0.05无量纲时间，相当于全尺寸模拟的0.7秒和模型的0.0837秒。对于满刻度D = 1.283L，模拟4200秒（70分钟）的6000个时间步点的计算需要大约32.4小时，在24个处理器中总共780个CPU小时。 对于D = 1.385 L，需要大约38个时钟小时或910个CPU小时进行相同的计算。

2.3系泊刚度和自由衰减测试

如前所述，换算速度是用于描述运动响应的最重要的参数。定义为V_r = UT₀ / D，其中U是当前速度，T₀是横向运动的自然周期，D是垂直于流入的柱的投影宽度。对于所模拟的情况，以45°入射角的深海半潜式，以6-8或5-7的换算速度在完全锁定状态进行横荡运动。为了与模型试验进行有意义的比较，在静水中进行自由衰减测试，用以确定模拟原尺寸半潜式的自然周期。

Waals等人没有提供实验的系泊信息。然而，纵荡、横荡和艏摇的自然周期分别为132s，205s和49s，分别放大了原型。虽然实现与实验相同的自然周期并不是至关重要的，但是用于艏摇的k_x=236000N / m，k_y = 92600N / m和ktheta;= 1.94times;10⁹Nm的系泊刚度可以获得合理的数值。表1总结了纵荡，横荡和艏摇运动的模拟自然周期以及实验数据。图4显示了D = 1.283L的自由衰减运动历程。然后利用针对每个角几何模拟获得相应的横摇自然周期来计算换算速度。

1. 结果与讨论

虽然Lee等人提出了一种不同的半潜式平台的涡激运动研究，它们包括一个固定平台上平均拖曳力的验证研究。对于这个测试，他们改变了Waals等人的平台的几何形状，并得到了了模拟和实验结果之间的良好一致性。由于他们使用与本工作相同的CFD求解器和结构，因此无需重复这种拖曳力研究。

涡激运动模拟选择的换算速度范围主要为4〜15，原型的雷诺数为4.8x10⁶〜1.8x10⁷。 在有限分析NS代码中使用无量纲数。对于原型，特征长度为立柱宽，L = 14m，特征速度选择为U_o=1.0 m / s，特征时间为14秒，质量、惯性矩和系泊刚度都是相应的无量纲的。为了表示平均运动反应，Waals等人使用定义为2sigma;（y）的标称幅度，其中sigma;（y）作为y（t）的标准偏差。为了最小化由稍微较短的数值模拟引起的误差，统计分析仅包括在响应运动变得更重复之后的数据。如果运动响应需要很长时间才能发展，这种做法可能导致略大的标称幅度。

3.1收敛测试

在分析模拟涡激运动结果之前，对现行CFD方法的准确性和可靠性进行了评估。可能影响CFD方法结果的主要因素包括采用的湍流模型和使用的网格方案以及时间增量。这些因素将在换算速度为7、尺寸为D = 1.385L的全结构中进行检验。如前所述，标准处理是使用LES模型，Delta;_t= 0.05，并采用670万个网格点。执行DES计算以检查LES模型。 还检查了了Delta;_t= 0.025的计算。最后，设计并测试了一个1360万个网格点的精细网格。这种精细的格栅是通过沿着柱和浮筒的周长加倍网格数来构造的，以及在x方向和y方向上改进盆地网格。对精细网格进行了另一次自由衰减试验，摇摆自然期为203.6s，与标准网格结果差距小于0.5％。表2比较了从这些测试获得的无量纲标称摇摆幅度A_y / D，标准处理结果作为差异百分比的基线。具有LES模型的标准网格证明可以产生足够准确的答案。 虽然Delta;_t= 0.025给出更准确的结果，Delta;_t= 0.05计算在5％以内差异，并用于降低计算成本。

3.2圆角效应

本节对立柱几何形状的影响进行了研究。本研究中包含了D = 2 L尖角的第三种平台并跟其他两种相对比，其网格结构与D = 1.385 L的相同。对于该第三种几何形状再次进行自由衰减测试，其横荡自然周期为204秒。这三个几何的模拟标称摆幅幅值

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