徐 驍， 王慶豐， 章 瑤， 祁 斌， 袁 鵬

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

半潛式平臺(tái)在發(fā)展過程中經(jīng)歷多次建造量的高峰，第一次在1975年前后，第二次在1983年前后，2次都伴隨著國(guó)際油價(jià)的上漲，這說明半潛式平臺(tái)的發(fā)展對(duì)于市場(chǎng)需求有較高的依賴性[1]。如今海洋中用于開發(fā)利用石油天然氣等資源的平臺(tái)有數(shù)千座之多，在亞洲海域布置的相關(guān)平臺(tái)也超過1 000座，這類平臺(tái)的服役年限大多已超過20 a，很多老舊平臺(tái)面臨拆解難題。

本文的研究對(duì)象是一種新型半潛式起重拆解平臺(tái)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)無(wú)橫撐并設(shè)有主副2個(gè)浮筒，2臺(tái)起重機(jī)安裝在主浮筒一側(cè)，起重機(jī)可分別作業(yè)也可進(jìn)行聯(lián)合起吊作業(yè)。在滿足較大起重能力的同時(shí)具有很好的靈活性，可滿足大部分相關(guān)作業(yè)要求。研究對(duì)象外形的特殊性使平臺(tái)氣隙響應(yīng)與傳統(tǒng)平臺(tái)存在不同。平臺(tái)的氣隙和波浪砰擊性能是衡量平臺(tái)設(shè)計(jì)是否優(yōu)秀的重要指標(biāo)[2]。單鐵兵[3]研究在極限與常規(guī)波浪條件下立柱式海洋平臺(tái)附近波浪爬升等波浪非線性特征，結(jié)果表明不同波陡參數(shù)、波浪入射角、立柱間干擾、立柱剖面形狀等多個(gè)因素可以對(duì)波浪爬升和砰擊響應(yīng)產(chǎn)生影響。SWEETMAN等[4]建立基于二階矩理論的模型，雖然所得氣隙極值在實(shí)際過程中仍然低于實(shí)際試驗(yàn)的氣隙極值，但是準(zhǔn)確性顯著提高，雖然基于窄帶理論的模型適用范圍比傳統(tǒng)模型稍小，但是在評(píng)估空間多樣性方面其準(zhǔn)確率比傳統(tǒng)模型得到可觀的提高。

本文使用STAR CCM+軟件對(duì)非對(duì)稱平臺(tái)進(jìn)行水動(dòng)力分析并將結(jié)果與傳統(tǒng)對(duì)稱平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果反映了非對(duì)稱平臺(tái)波浪非線性效應(yīng)的特點(diǎn)以及2種不同形式的平臺(tái)在波浪非線性效應(yīng)所具有的異同點(diǎn)。

1 計(jì)算模型

1.1 模型建立與主尺度

研究對(duì)象選取的平臺(tái)形式為非對(duì)稱無(wú)橫撐，與之對(duì)比的是對(duì)稱且?guī)M撐平臺(tái)。利用ANSYS Workbench建立的2種平臺(tái)有限元模型如圖1所示，模型主尺度如表1所示。計(jì)算時(shí)使用的縮尺比為1∶50。

圖1 2種不同形式的平臺(tái)有限元模型

表1 模型主尺度 m

1.2 數(shù)值水池建立與計(jì)算域設(shè)置

采用STAR CCM+進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算水池主尺度同樣使用縮尺比為1∶50，水池長(zhǎng)為24 m，寬為8 m，為模擬無(wú)限水深，水池深度選取6 m。x軸的負(fù)方向?yàn)椴ɡ巳肷浞较?，水池模型與計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示，計(jì)算域設(shè)置如圖3所示。

單位：m

圖3 計(jì)算域設(shè)置

在模擬過程中為便于觀察平臺(tái)各部分受到波浪非線性效應(yīng)的影響，在平臺(tái)表面設(shè)置壓力探針，在上甲板與立柱連接處探針密度加密。探針布置圖如圖4所示。

圖4 探針布置

計(jì)算模型使用5階規(guī)則波浪，采用三維隱式不定常求解方法，自由液面使用流體體積(Volume of Fluid，VOF)進(jìn)行追蹤，模型選取歐拉多相流，尾部區(qū)域采用VOF波阻尼邊界進(jìn)行消波。計(jì)算工況選取墨西哥灣百年一遇的海況數(shù)據(jù)并進(jìn)行1∶50縮尺處理。具體參數(shù)如表2所示。

表2 工況參數(shù)表

在模擬計(jì)算過程中，由于非對(duì)稱平臺(tái)外形的特殊性，將模擬工況設(shè)置為正向0°入射、90°入射和270°入射。傳統(tǒng)帶橫撐對(duì)稱平臺(tái)所有立柱剖面形狀只選取正向0°入射。

2 非對(duì)稱平臺(tái)不同工況計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 0°入射波浪

模擬波浪從正前方入射，由于非對(duì)稱平臺(tái)的主浮筒立柱與副浮筒立柱的剖面形狀不同，波浪所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)和立柱間的繞射效應(yīng)更為復(fù)雜。0°入射工況前視圖如圖5所示，從水池下方觀測(cè)到的波浪情況如圖6所示。

圖5 0°入射工況前視圖

圖6 0°入射工況底部視圖

由圖5可知，在波浪入射時(shí)，迎浪方向的立柱首先受到波浪的作用，在該工況下，首先出現(xiàn)負(fù)氣隙的位置位于下甲板迎浪方向邊緣處，此時(shí)波浪還未前進(jìn)至立柱間大彎角連接結(jié)構(gòu)內(nèi)。同一波浪周期內(nèi)的底部視角(見圖6)也可驗(yàn)證該結(jié)論。

在圖6中可明顯觀察到同一時(shí)刻內(nèi)波浪經(jīng)過主浮筒和副浮筒立柱時(shí)產(chǎn)生的波浪非線性現(xiàn)象并不一樣，并且主浮筒一側(cè)的波浪繞射現(xiàn)象更明顯，說明波浪繞射作用與立柱剖面形狀有一定的關(guān)系。

在一個(gè)波浪周期內(nèi)，平臺(tái)主甲板下方受到的砰擊壓力熱力圖如圖7所示。

由圖7可知，負(fù)氣隙的位置首先出現(xiàn)在下甲板迎浪方向，隨著波浪向后傳播，在主浮筒迎浪方向前方立柱與甲板連接處的后側(cè)位置產(chǎn)生了強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，但是同一時(shí)間對(duì)側(cè)副浮筒同一位置處并沒有出現(xiàn)同樣強(qiáng)度的非線性效應(yīng)。在整個(gè)波浪周期內(nèi)，上甲板靠近主浮筒立柱一側(cè)受到的波浪砰擊壓力一直強(qiáng)于對(duì)側(cè)，并且從圖7可以明顯看到壓力最大的位置從上甲板外邊緣位置逐漸向內(nèi)側(cè)接近。

圖7 0°入射工況下主甲板受到波浪砰擊壓力熱力圖

2.2 90°主浮筒側(cè)入射波浪

當(dāng)波浪參數(shù)相同，波浪從主浮筒方向(90°)入射時(shí)，波浪的作用如圖8和圖9所示。

圖8 90°入射工況前視圖

圖9 90°入射工況底部視圖

與0°入射工況相比，負(fù)氣隙首次出現(xiàn)的位置同樣出現(xiàn)在主甲板迎浪方向邊緣位置。由圖9可知，與0°入射工況不同的是由于迎浪方向的立柱剖面形狀相同，因此波浪的非線性效應(yīng)相差無(wú)幾，存在微小不同的原因是浮筒前后的結(jié)構(gòu)不同。

在同一個(gè)波浪周期內(nèi)，平臺(tái)主甲板下方受到的砰擊壓力熱力圖如圖10所示。

由圖10可知，波浪入射方向的立柱即副浮筒立柱與上甲板連接處首先受到波浪的作用，兩側(cè)壓力基本相同，隨著波浪傳播波浪砰擊壓力極值出現(xiàn)的位置逐漸向后傳遞，與0°入射工況一樣在波浪周期后期壓力極值有向中間收斂的趨勢(shì)。

圖10 90°入射工況下主甲板受到波浪砰擊壓力熱力圖

2.3 270°副浮筒側(cè)入射波浪

當(dāng)波浪參數(shù)相同，波浪入射方向?yàn)楦备⊥矀?cè)(270°入射)時(shí)，波浪作用如圖11和圖12所示。在同一個(gè)波浪周期內(nèi)，平臺(tái)主甲板下方受到的砰擊壓力熱力圖如圖13所示。

圖11 270°入射工況前視圖

圖12 270°入射工況底部視圖

圖13 270°入射工況下主甲板受到波浪砰擊壓力熱力圖

在該工況下：負(fù)氣隙首次產(chǎn)生的位置與0°和90°入射相同；波浪砰擊壓力極值位置從上甲板迎浪方向邊緣產(chǎn)生，隨著波浪在副浮筒正后側(cè)沿著波浪入射方向傳播，在整個(gè)波浪周期結(jié)束時(shí)壓力極值同樣有向中心收斂的趨勢(shì)。

3 帶橫撐對(duì)稱平臺(tái)計(jì)算結(jié)果及分析

所研究波浪參數(shù)相同，模型4個(gè)立柱的剖面形狀等參數(shù)完全相同。由于0°波浪入射角度與90°、270°入射角相同，為了與非對(duì)稱平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比只需進(jìn)行1個(gè)工況下的數(shù)值模擬即可[5]。圖14為帶橫撐對(duì)稱平臺(tái)在0°波浪入射角工況下的前視圖。

由圖14可知，波峰在經(jīng)過迎浪角度正前方的立柱時(shí)出現(xiàn)首次負(fù)氣隙現(xiàn)象，在前側(cè)立柱正后方波浪產(chǎn)生強(qiáng)烈繞射現(xiàn)象，并在波浪繼續(xù)傳播的過程中對(duì)上甲板產(chǎn)生波浪砰擊。

圖14 帶橫撐對(duì)稱平臺(tái)0°入射工況前視圖

在同一個(gè)波浪周期內(nèi)，平臺(tái)主甲板下方受到的砰擊壓力熱力圖如圖15所示。

圖15 帶橫撐對(duì)稱平臺(tái)0°入射工況下主甲板受到波浪砰擊壓力熱力圖

由圖15可知，首先出現(xiàn)負(fù)氣隙的位置是迎浪方向上甲板邊緣，隨后在迎浪方向立柱后側(cè)與上甲板連接處出現(xiàn)砰擊壓力極值，兩側(cè)立柱的砰擊壓力基本相同，最后壓力極值傳遞至上甲板后側(cè)并呈現(xiàn)向內(nèi)收斂的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

使用STAR CCM+軟件對(duì)2種不同形式的半潛式平臺(tái)的砰擊響應(yīng)進(jìn)行多工況條件下的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

(1) 在0°入射波浪工況下，波浪對(duì)非對(duì)稱平臺(tái)上甲板的非線性效應(yīng)呈現(xiàn)兩側(cè)不對(duì)稱性，說明迎浪立柱的剖面形狀可在一定程度上影響波浪非線性效應(yīng)的作用，主浮筒立柱與上甲板連接處的砰擊壓力極值大于副浮筒側(cè)的相同位置，直至極值點(diǎn)傳遞至主浮筒后側(cè)立柱與上甲板連接處時(shí)，對(duì)側(cè)副浮筒位置才出現(xiàn)較大程度的砰擊壓力，因此在這種工況下同側(cè)2個(gè)立柱間連接處是整個(gè)下甲板區(qū)域受到波浪非線性效應(yīng)作用最嚴(yán)重的位置。

(2) 在90°和270°波浪入射即從主浮筒和副浮筒側(cè)入射工況條件下，負(fù)氣隙發(fā)生位置和砰擊響應(yīng)的變化趨勢(shì)基本一致，在與帶橫撐對(duì)稱平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)在波浪的傳播過程中上甲板的砰擊壓力極值都在迎浪側(cè)立柱與上甲板連接處產(chǎn)生，隨后在同側(cè)前后2個(gè)立柱之間傳遞，最后在波浪周期結(jié)束時(shí)都有向下甲板內(nèi)側(cè)區(qū)域收斂的趨勢(shì)。這說明當(dāng)迎浪側(cè)立柱的剖面形狀相同時(shí)平臺(tái)下甲板受到的砰擊響應(yīng)效果基本相同。

(3) 2個(gè)平臺(tái)同側(cè)立柱的連接方式分別是大彎角連接和直角連接，從各個(gè)工況數(shù)值模擬的下甲板砰擊壓力熱力圖可明顯看出：砰擊壓力極值區(qū)域在使用大彎角連接的平臺(tái)中應(yīng)力相對(duì)更為分散，在使用直角連接的平臺(tái)中相對(duì)更為集中。更集中的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)更易受到破壞，從這個(gè)角度也可以說明采用大彎角連接方式可在一定程度上改善立柱連接處的應(yīng)力集中問題。