姚震球,孫 碩,凌宏杰,周偉楠
(江蘇科技大學(xué) a.海洋裝備研究院; b.船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
鉆井船憑借較大的可變載荷和良好的機動性,已成為深海油氣資源開發(fā)的一大利器。月池是鉆井船中部垂直貫穿船體、連接甲板與海底的空腔結(jié)構(gòu),通過月池可將船上鉆井設(shè)備和立管等下放至海中進行鉆井作業(yè)。月池可有效減小外部波浪對鉆井設(shè)備的影響,保證安全作業(yè)[1-2]。由于鉆井船需經(jīng)常轉(zhuǎn)移至不同海域進行新油田的鉆探和開采,月池的存在導(dǎo)致鉆井船在航行中存在附加的月池阻力,影響航行性能。因此,有必要開展月池形狀對鉆井船附加阻力影響的研究[3],優(yōu)化其性能。
利用 CFD 數(shù)值水池開展鉆井船附加阻力性能研究是較為方便的技術(shù)。孫采微[4]建立基于N-S方程和流體體積(Volume of Fluid,VOF)法的數(shù)值波浪水池,分析帶有方形月池的鉆井船月池內(nèi)流體振蕩機理。劉學(xué)勤等[5]研究深水鉆井船阻力性能及月池改進措施,對兩艘不同的鉆井船進行阻力性能分析,分別對有月池方案和無月池方案的鉆井船進行繞流場和阻力計算,并將數(shù)值計算得到的阻力與模型試驗結(jié)果進行對比。金瑞健等[6]通過模型試驗研究工作月池在關(guān)閉與開啟狀態(tài)下對船舶阻力的影響,還研究工作月池不同底部倒圓半徑和側(cè)壁格柵開孔率對月池阻力的影響。張曉宇等[7]和王碩等[8]分別對鉆井船月池附加阻力進行一定的研究。
應(yīng)用FINE/Marine軟件,開展鉆井船無月池、階梯形月池和優(yōu)化后階梯形月池方案對附加阻力性能的影響研究。對航行中月池內(nèi)非定常流動進行模擬,分析附加阻力成因與影響因素,并通過不同形狀月池附加阻力計算及對比分析,驗證和預(yù)報月池優(yōu)化結(jié)果。
以超深水鉆井船為研究對象,構(gòu)建其分析模型。該鉆井船中部設(shè)置階梯形矩形月池,其主尺度如表1所示。
表1 鉆井船月池主尺度
為便于數(shù)值模擬,對超深水鉆井船實船按照1∶36進行縮尺。采用三維建模軟件SolidWorks 建立三維數(shù)值計算模型。鉆井船三維模型如圖1所示。
圖1 鉆井船三維模型
為研究不同形狀月池對鉆井船附加阻力的影響,考慮3種月池方案:
(1) 方案1:月池完全遮蔽,即無月池方案;
(2) 方案2:階梯形月池方案(見圖2);
圖2 階梯形月池方案
(3) 方案3:后部帶傾角階梯形月池方案(優(yōu)化方案為月池后壁下部向后傾斜,底角斜切,見圖3)。
圖3 后部帶傾角階梯形月池
數(shù)值模擬采用VOF 法。流場為黏性不可壓流場,使用連續(xù)性方程和 RANS 方程,計算時采用湍流模型k-ω剪切壓力傳輸(Shear Stress Transport, SST)模型、 SIMPLE算法[4]進行求解。
(1)
(2)
將三維模型導(dǎo)入全六面體非結(jié)構(gòu) HEXPRESS 網(wǎng)格生成器進行網(wǎng)格劃分,計算域選擇船模距入口2倍船長2L、距出口3L、距上下邊界分別0.5L和1.5L、左右邊界各1.5L。計算域長為32.50 m,寬為19.50 m,高為16.25 m,計算域及網(wǎng)格如圖4所示。船模長6.61 m、寬1.21 m、高0.62 m。對船體以及自由液面處網(wǎng)格進行細分,船體及月池邊界層加密,外流域網(wǎng)格相對稀疏。邊界層網(wǎng)格如圖5所示。計算區(qū)域內(nèi)船體采用標準壁面函數(shù),上邊界、下邊界采用指定壓強(液體靜壓)邊界條件,入口、出口以及左右兩側(cè)邊界條件設(shè)置為遠場。
圖4 計算域及網(wǎng)格
圖5 鉆井船附近邊界層網(wǎng)格
分別對3個方案的3種不同數(shù)量的網(wǎng)格進行網(wǎng)格收斂性驗證。網(wǎng)格加密原則為:對阻力具有影響的船體水下部分濕表面網(wǎng)格進行逐步加密;對月池附加阻力具有較大影響的水線面以及月池池壁使用box工具進行局部加密;對與本研究相關(guān)度不大的船體部分進行低密度加密。整體網(wǎng)格保持負網(wǎng)格、凹陷網(wǎng)格、扭曲網(wǎng)格數(shù)量為0,網(wǎng)格具有良好的正交性以及縱橫比。圖6為不同網(wǎng)格數(shù)量的船體表面網(wǎng)格對比。
圖6 不同網(wǎng)格數(shù)量的船體表面網(wǎng)格對比
以方案3為例,采取包含147萬個、247萬個、351萬個網(wǎng)格的粗、中、細等3套網(wǎng)格模型進行網(wǎng)格收斂性驗證。實船航速為15 kn,縮尺后模型航速為1.286 m/s,阻力對比結(jié)果如圖7所示。與粗網(wǎng)格方案相比,中、細網(wǎng)格方案計算時歷曲線波形接近,平均值相差較小,網(wǎng)格的收斂性較好。為節(jié)省計算機數(shù)值仿真計算時間,采用247萬個中密度網(wǎng)格開展數(shù)值計算。同理,對方案1和方案2分別進行網(wǎng)格收斂性驗證,結(jié)果一致,故亦采用相同中密度網(wǎng)格方案開展數(shù)值計算。
圖7 方案3粗、中、細不同網(wǎng)格下的收斂性驗證結(jié)果
為探究月池附加阻力特性,尋找減小月池附加阻力的優(yōu)化方法,對航速為15 kn、帶階梯形月池的鉆井船(方案2)開展航行狀態(tài)下的月池內(nèi)流場仿真分析,獲得鉆井船興波圖[9]和月池內(nèi)速度矢量圖。 圖8為方案2鉆井船船行波波面升高分布云圖。圖9為方案2放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖。圖10為方案2鉆井船中縱剖面兩相流分布圖。圖11為方案2放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖。
圖8 方案2鉆井船船行波波面升高分布云圖
圖9 方案2放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖
圖10 方案2鉆井船中縱剖面兩相流分布圖
圖11 方案 2放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖
觀察圖8~圖11可得鉆井船的行進波系及月池內(nèi)液面流體速度變化狀況。
從總體上看,帶月池鉆井船首尾行進波系與常規(guī)船舶相仿,因此其對附加阻力的形成影響不大。由于存在月池,船底水流在流經(jīng)月池下方時會帶動底部水體一起向后流動,月池開口前端壁下部壓強減小,上部水體向下補充,自由液面降低;由于月池后端壁的存在形成阻塞效應(yīng),水流以較高流速沖擊豎直的月池后端壁,迫使水體向上運動,導(dǎo)致月池內(nèi)靠近后壁處自由液面升高,月池內(nèi)上部水體向前補充時形成漩渦;由于月池前部有臺階,在臺階處水體流動更加復(fù)雜,部分水體在向前補充時,在臺階前壁反射后向下向后運動,然后與漩渦疊加使漩渦強度增加。上述狀況反復(fù)發(fā)生,導(dǎo)致其阻力曲線呈現(xiàn)簡諧波形狀(見圖7)。
由上述分析可知,月池附加阻力主要源于月池開口中水體的阻塞效應(yīng)和漩渦運動所產(chǎn)生的阻力。
在鉆井船航行過程中,月池內(nèi)水體阻塞效應(yīng)以及漩渦運動消耗了大量能量,船底水流與階梯形月池后端壁呈90°沖擊,附加阻力較大。為此在基本不改變其功能、大小和結(jié)構(gòu)特點的情況下進行月池形狀優(yōu)化。將月池后壁下部順水體流動方向向后傾斜并在其底角斜切,形成優(yōu)化后的方案3(見圖3)。該方案可減小水流與月池后端壁的沖擊角度,開辟水體向后流動的通道,同時壓制其波面爬升高度,以減小其附加阻力。
對該方案在與方案2同樣的條件下進行CFD仿真模擬。圖12為方案3鉆井船船行波波面升高分布云圖。圖13為方案3放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖。圖14為方案3鉆井船中縱剖面兩相流分布圖。圖15為方案3放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖。
圖12 方案3鉆井船船行波波面升高分布云圖
圖13 方案3放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖
圖14 方案3鉆井船中縱剖面兩相流分布圖
圖15 方案3放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖
方案3的月池后端壁向后傾斜、底角斜切使底部部分水流可直接越過月池底部,減小沿月池后端壁上升的水流流量,降低水流對月池后端壁的沖擊,阻塞情況獲得明顯改善。對比圖15與圖11可以發(fā)現(xiàn),改進后漩渦強度降低,減小月池前后端壁壓力差,同時減少向前運動的水流在臺階前壁的反射,進一步降低漩渦的強度以及月池內(nèi)部漩渦運動的能量,因此附加阻力得以降低。
在鉆井船月池內(nèi)部自由液面A點(靠近月池后壁面)和B點(月池臺階下)設(shè)置監(jiān)測點(見圖16),獲得了方案2和方案3鉆井船月池內(nèi)自由液面處波高時歷曲線,如圖17所示。A點反映后壁面處波高,B點則反映月池波面受階梯的影響。
圖16 鉆井船月池內(nèi)自由液面處波高監(jiān)測點
圖17 鉆井船月池內(nèi)自由液面處波高時歷曲線
A點液面波高呈現(xiàn)簡諧波形,對比方案2與方案3可知優(yōu)化后的方案3月池波幅整體減??;B點由于受階梯的影響而產(chǎn)生漩渦運動,方案3月池自由液面波動幅度同樣明顯減小,表明流體運動劇烈程度降低,同航速下月池附加阻力減小。
根據(jù)對不同形狀月池內(nèi)流場的仿真,可得出結(jié)論:在鉆井船航行時底部水流流入月池,為月池內(nèi)部漩渦運動提供能量;由于月池內(nèi)的阻塞效應(yīng),隨著月池內(nèi)水體的垂蕩,月池底部水流的分離及內(nèi)外水體質(zhì)量交換產(chǎn)生了月池內(nèi)的周期性漩渦運動,產(chǎn)生了附加阻力[5]。月池附加阻力包括其自身阻力以及因漩渦運動而產(chǎn)生的阻力。為分析月池形狀對附加阻力數(shù)值的影響,分別計算不帶月池與帶不同形狀月池方案下的鉆井船阻力,并進行對比。
分別計算3種月池方案的鉆井船阻力,航速范圍為11~15 kn,間隔為1 kn。以方案1的阻力為基本值,將方案2和方案3所得阻力與方案1所得阻力相減,即得到不同形狀月池的附加阻力,如表2所示。
表2 不同航速3種月池方案的鉆井船阻力與月池附加阻力計算結(jié)果
將CFD計算得到的阻力繪成阻力曲線和月池附加阻力增加百分比曲線,如圖18所示。
比較方案 2、方案3與 方案 1阻力曲線發(fā)現(xiàn):鉆井船阻力與是否存在月池有關(guān),不同形狀月池的存在導(dǎo)致鉆井船阻力增加,形成了月池的附加阻力;隨著航速增加,帶有不同形狀月池的鉆井船的總阻力增加趨勢是一致的;在相同航速下帶月池的鉆井船阻力比無月池鉆井船總阻力增加約9%~20%。
比較方案 2與方案 3月池附加阻力增加百分比曲線可以發(fā)現(xiàn),不同形狀的月池附加阻力是不同的。月池形狀優(yōu)化后(方案 3),相同航速時月池附加阻力明顯減小(本船型平均減小近35%),說明優(yōu)化月池形狀可有效改善鉆井船的阻力性能。對比優(yōu)化前后兩種形狀的月池:優(yōu)化后帶傾角階梯形月池附加阻力基本穩(wěn)定,為總阻力的9%~11%;常規(guī)階梯形月池附加阻力為總阻力的13.5%~20.0%,存在一定的波動現(xiàn)象。
圖18 3種方案月池船體阻力對比
通過對不同形狀月池內(nèi)非定常流動特性的研究和鉆井船附加阻力的對比分析可知,航行中的鉆井船月池內(nèi)的阻塞效應(yīng)和流體漩渦運動會產(chǎn)生月池附加阻力,影響航行性能。不同形狀月池導(dǎo)致鉆井船航行附加月池阻力不同。優(yōu)化月池形狀和結(jié)構(gòu)可有效降低月池內(nèi)的波高和漩渦強度,改善航行性能。
(1) 通過對有、無月池鉆井船的阻力性能和月池內(nèi)流場特性的對比分析可知,月池內(nèi)阻塞效應(yīng)和流體運動所產(chǎn)生的波浪、漩渦消耗了較多的能量,形成了鉆井船月池附加阻力。
(2) 減少流體對月池后端壁的沖擊,導(dǎo)引流體流出月池,可減少阻塞效應(yīng)、降低旋渦強度,是優(yōu)化月池形狀和結(jié)構(gòu)的基本思路,可有效減小月池附加阻力。
(3) 通過優(yōu)化月池形狀和結(jié)構(gòu)(以方案 3為例),將月池后端壁下部設(shè)計為向后的斜坡,并在后壁下端處進行斜切處理后,月池附加阻力平均減小近35%,可有效改善鉆井船的阻力性能。