新型深水多立柱FDPSO涡激运动研究进展

谷家扬，吴 介，杨建民

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)(2.上海交通大学海洋工程国家重点试验室，上海200240)

目前，世界先进国家都将油气资源开发的重点投向深海.当今美国深海油气开发主要是“浮式钻采平台—水下井口—水下生产系统—海底管网”模式，采用干式采油树钻采平台，如深水张力腿平台和深吃水立柱式平台等.巴西深海油气开发形式则为“半潜式平台－水下井口－水下生产系统—浮式生产储油卸油装置”模式，采用湿式采油树钻采平台和半潜式平台.

近几年国际深海平台创新概念层出，技术发展飞速，而我国深海平台技术研究尚处于起步阶段，与世界先进水平相比存在较大差距.未来深海油气资源开发必将是我国海洋开发的主战场，对增强我国国际竞争力，振兴民族工业，保证经济可持续发展具有重要战略意义.

浮式钻井生产储油平台(floating drilling production，storage and offloading，FDPSO)作为一种新型钻采储卸一体化平台，兼具钻井和生产储油功能，FDPSO在FPSO基础上通过增加配置钻井设备，使其同时具有FPSO较强的生产储油特点，同时兼具钻探、完井的功能，大大缩短了油气开采周期，降低了投资成本，并且具备井口维修时不停产的特点，必将成为未来我国深水油气开发战略中的重要工具之一.FDPSO结构形式有船型、圆筒型和多立柱型3种(图1).世界上首座多立柱FDPSO由美国 ATP OIL＆GAS公司投资，在南通中远船务工程有限公司兴建，该平台主体为八边形浮体，下设4根立柱和2个立管平台，最大作业水深3000m.

图1 3种典型FDPSOFig.1 Three typical FDPSO

1FDPSO升沉补偿系统简介及相关研究

FDPSO采用独特的隐藏式立管浮箱(sheltered riser vessel，SRV)升沉补偿系统(heave compension system，HCS)或张力腿甲板(tension leg deck，TLD)升沉补偿系统，两种升沉补偿系统如图2所示.FDPSO在深海作业，环境恶劣，升沉运动幅度剧烈，传统液压式升沉补偿装置已不能满足需要.Novellent Offshore LLC和SBM公司分别提出了SRV及TLD两种新型补偿系统.隐藏式立管浮箱SRV补偿系统由浮箱和立管组成，两者相连，其浮力大于自身重力，通过剩余浮力为立管提供张力，补偿平台主体的垂荡运动.张力腿甲板(TLD)由甲板、缆绳及重物等组成，下端与海底装置相连，甲板上端被缆绳拉紧，缆绳连有重物，重物重力提供张力腿张力，从而减小平台主体的垂荡运动.

图2 FDPSO所采用的两种新型升沉补偿系统Fig.2 Two new HCS of FDPSO

国内外学者围绕不同形式的FDPSO水动力性能［1-2］、FDPSO 与系泊系统耦合水动力性能［3-4］、FDPSO与SRV耦合水动力性能［5］、FDPSO与 TLD耦合水动力性能［6-7］、概念设计、张力系统及立管的涡激振动［8-9］等开展了研究和技术论证.

多立柱FDPSO概念提出不久，目前尚有诸多关键技术亟待突破，多立柱FDPSO非线性涡激特性及运动稳定性机理研究就是其中之一.FDPSO作为一种多立柱顺应式平台，由于平台底部环形浮箱的存在、上下游多立柱流场之间的影响、独特的升沉补偿系统及水动力特性等决定了其涡激运动及运动稳定性问题更为复杂.

2 多立柱海洋平台绕流特性研究

平台绕流特性及水动力性能预报是其涡激运动研究的基础，但相关研究较少，多立柱绕流可提供有益参考和借鉴.文献［10］对多圆柱绕流特性进行了二维、三维数值模拟及实验研究，研究发现雷诺数Re和立柱间距比对尾涡结构有较大的影响，立柱间距比为1.5时，数值模拟和试验研究中尾流均表现出明显的双稳态特性，当间距比L/D≥2.5时，流场具有一定的对称性，L/D＜3.5且雷诺数处于临界时，上游尾涡结构受到明显的挤压变形.K.Lam等［11］2008年分别采用二维及三维数值模拟方法对四圆柱的绕流特性进行了数值模拟，重点研究了尾流特性及水动力系数随雷诺数及间距比的变化.Zou Lin等［12］2008 年采用3D LES(large-eddy simulation)湍流模型直接求解NS方程对临界Re数等于1.5×104，间距比分别为1.5和3.5的阵列多圆柱绕流进行了数值模拟和实验研究，实验中采用激光测速仪(LDA)及数字粒子图像测速仪(DPIV)进行流场观测，将数值模拟及实验得出的水动力系数、尾涡结构及压力分布进行了对比.A.Abrishamchi等［13］2012年分别采用LES和URANS(unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes)对张力腿平台水动力荷载进行了三维数值计算，自由液面采用VOF法进行模拟，张力腿平台圆形立柱直径为9.0m，给出了0o及45o流向下张力腿平台上游及下游立柱升力系数及拖曳力系数的时历和频域曲线.

3 多立柱海洋平台涡激运动研究

平台主体涡激运动与细长构件涡激振动不同.涡激振动(vortex induced vibrations，VIV)指纵横比很大的细长体如海底管线、立管等在一定速度来流下，由物体背后交替泻涡导致的脉动压力而引起的结构振动，工程界研究由来已久;涡激运动(vortex induced motions，VIM)指大尺度平台主体在强流速度下引起漩涡脱落，从而产生大幅的水平运动，增加系泊系统及立管的载荷，是近几年来海洋工程界的研究热点.平台与细长构件相比，具有较小的纵横比、显著的刚性特征，以及特有的漂浮特性、锚泊附属结构，使得平台涡激运动显示出与海洋立管等细长体完全不同的运动特征.

美国石油学会在2010规范中规定:多立柱浮式海洋平台例如TLP、半潜平台以及FDPSO在设计中必须考虑平台涡激运动的影响［14］.

单个弹性支撑圆柱涡激运动研究由美国Willamson教授及其团队［15-16］开创，其对多立柱平台涡激运动有着重要启发和指导作用.Willamson根据质量-无因次阻尼联合参数m*ξ的高低和振幅形状对不同分支进行了定义，同时对质量比分别为2.6和7.0的弹性支撑圆柱的振幅幅值开展了研究.在Williamson研究基础上，国内学者继续对弹性支撑单柱体及多柱体开展了相关研究.黄智勇［17］、潘志远［18］等对比了不同质量比弹性支撑圆柱在限制流向及不限制流向下的涡激运动特性.梁亮文、万德成等［19］对均匀流中圆柱的受迫振荡进行了数值模拟，研究了圆柱振幅和频率对圆柱受力及尾涡结构的影响，讨论了在锁定及非锁定状态下升力、拖曳力曲线及涡泄结构.郑德乾、顾明等［20］采用并行计算方法对雷诺数为200的方柱涡激运动进行了数值计算，观察到了“拍”和“锁定”现象.

近年来，多立柱涡激运动逐渐引起学术界的关注，研究热点聚焦于不同的排列方式(串列、并列及阵列)及间距比对涡激特性的影响［21-22］.徐枫、欧进萍等［23］对间距比为1.5～6.0正三角形排列的圆柱涡激运动进行了数值模拟，对气动力响应、频率特性及其下游涡泄结构进行了计算，发现三圆柱振荡系统中单个圆柱的横向振幅远大于孤立圆柱发生锁定时的振幅;同时进一步对长方形排列的四圆柱进行了涡激运动研究［24］，研究表明:上游圆柱的阻力均值和升力脉动值在整个间距范围内大于下游圆柱，上游圆柱横向振荡幅值达到了0.82D，D为主柱直径，远大于单个圆柱涡激横向位移值.徐枫、欧进萍等人的研究方法对多立柱涡激运动研究具有重要指导意义，但研究中认为四圆柱之间相对自由，而不是刚性固定，这点与多立柱FDPSO涡激运动有一定区别.

Ming Zhao等［25］2012年采用雷诺平均法求解NS方程结合SSTk-ω 湍流模型对为0°，15°，30°，45°流向，间距比等于3，约化速度1～20阵列多圆柱二维涡激运动进行了数值模拟(图3).图3中Ax，Ay分别为沿流向和沿横向振幅，均为无因次，Vr为无因次速度，α为流向.研究发现:流向对涡激运动幅值及锁定区间影响很大，不过研究中质量比设为2.0，远大于FDPSO的质量比(FDPSO质量比约为1.0)，较难反映FDPSO涡激运动的实际特性，但该成果为FDPSO涡激运动研究提供了有益参考.

目前海洋工程界针对平台主体涡激运动研究最多、最深入的是单立柱平台.上海交通大学的杨建民教授［26］、天津大学的唐友刚教授［27-28］、大连理工大学的宗智教授［29］对Spar平台涡激运动开展了相关研究.

图3 文献［25］中不同约化速度下阵列圆柱涡激运动的计算结果Fig.3 VIM results of array columns at different reduced velocities in literature［25］

多立柱FDPSO与张力腿平台以及半潜平台水下主体结构相似，一般均为四立柱并设有浮箱，立柱截面形式以圆形和方形为主.鉴于多立柱FDPSO概念提出不久，国际上相关研究较少，多立柱平台中的张力腿平台以及半潜平台可提供借鉴和参考.

目前，海洋平台涡激运动数值模拟主要借助商业软件如Fluent、CFX等，但由于计算资源的制约，当前研究停滞于二维仿真阶段，三维数值模拟研究鲜有报道.Jang-Whan Kim 等［30］2011年分别采用AcuSolve及STAR-CCM+软件对立柱直径为12.8 m的张力腿平台涡激运动进行了数值模拟.针对45°流向，约化速度分别为 8.0，9.5，11.2 时的涡激运动进行了计算，考虑纵荡、横荡及首摇三自由度之间的耦合，并将数值模拟结果与试验值进行了对比.但不足之处在于:研究中仅计及一个流向和3个约化速度，难以全面归纳多立柱平台涡激运动规律.

近年来，国外学者在拖曳水池中对多立柱平台如FDPSO、张力腿平台及半潜平台涡激运动进行了试验研究.Florus Korbijn等［31］2005年分别采用SESAM软件对一座八角形FDPSO在频域和时域内的动力响应及系泊特性进行了研究，同时在俄罗斯圣彼得堡船舶科学研究中心的水池中进行了试验研究，并将数值模拟和试验结果进行了对比(图4).考虑0°及45°流向、5种典型流速，在拖曳水池中对FDPSO的涡激运动进行了研究，并对平台装配和运输问题做了探讨.

图4 文献［31］中FDPSO涡激运动试验图及结果Fig.4 Experiment figure of FDPSO VIM and results in literature［31］

Olaf J.Waals等［32］2007 年选取4 浮箱深吃水半潜平台(质量比0.83)、4浮箱深吃水张力腿平台(质量比0.57)、4 浮箱经典半潜平台(质量比 0.84)、2浮箱典型半潜平台(质量比0.83)对其涡激运动进行了试验研究(表1，图5)，旨在探讨质量比、激励长度、浮箱、流速及流向对涡激运动的影响.

表1 文献［32］中4种典型半潜平台及张力腿平台参数Table 1 Parameters of four typical semi-submersible and TLP in literature［32］

图5 文献［32］中45°流向下采用两种不同统计方法得到的涡激运动试验结果Fig.5 Experimental results of VIM for 45 deg tow directionby using two different statistical methods in literature［32］

Oriol Rijen等［33］2008年通过模型试验研究了流及微幅波联合作用下四立柱半潜平台涡激运动的影响.试验分3步:首先仅考虑流，研究不同流向下的振幅走势及最大振幅幅值;然后研究波流联合作用对涡激运动的影响;最后对半潜平台附属结构物、系泊系统及立管阻尼对涡激运动的影响进行了研究.该论文不仅考虑流，同时计及波浪及平台外部附属结构物阻尼对涡激运动的影响，可为多立柱FDPSO涡激运动及波浪对涡激运动的影响提供相关参考.

Yongpyo.Hong等［34］2008 年研究了波浪对深吃水半潜平台涡激运动影响，认为实测流速可分为平均流速和时变流速.试验结果表明:半潜平台发生涡激运动时，横荡运动响应较明显，横荡幅值不仅取决于流速，还与波浪有关，在强流环境中，波浪越小，运动幅值越大.

Jimmy Ng K.T 等［35］2010 年对仅考虑波、流以及波流联合作用下多立柱平台进行试验研究，研究了上游立柱尾流对下游立柱的影响及下游立柱的动力特性.

Allan Magee 等［36］2011 年对一座由 Shell及Technip公司共同投资的工作于东南亚海域的张力腿平台涡激运动进行了试验，图6为该平台在某拖曳水池中的试验图片，图7为试验相关装置的原理图.首先进行Decay实验以确定平台固有周期及无因次衰减系数等重要参数;然后进行涡激运动试验，重点考察流速、流向、无因次吃水(吃水比立柱特征长度)对涡激运动的影响;最后给出了涡激运动响应时历曲线、纵荡及横荡运动轨迹.总之，当前多立柱平台涡激运动实验主要在拖曳水池中进行，采用空压弹簧模拟系泊系统及采用拖车模拟来流速度，难以从本质上揭示深水海洋环境中海洋平台涡激运动特性.

图6 Steven Leverette在拖曳水池中进行的张力腿模型试验装置Fig.6 Devices figure of TLP model test in towing tank by Steven Leverette

图7 Steven Leverette在模型试验中采用的倒置压缩弹簧原理Fig.7 Schematic of model test with inverted compression spring system by Steven Leverette

4 结论

深水多立柱FDPSO涡激运动机理是非常复杂的流固耦合问题，涉及到外部粘性边界层的模拟、耦合运动方程的求解、UDF程序的开发、动网格技术的应用、边界条件的设置等关键问题.当前，数值模拟研究受到计算资源的制约，停滞于二维仿真阶段，三维数值模拟研究较少.模型试验研究均在拖曳水池中进行，忽略了FDPSO与升沉补偿系统(SRV或TLD)耦合，系泊系统、立管涡激振动对平台涡激运动的影响，部分模型试验平台质量比与实际相差较大，试验结果难以使人信服，而目前多立柱平台涡激运动特性大多是建立在模型试验基础之上得到的定性结论，其外部海洋环境、平台主体结构、升沉补偿系统、系泊系统及平台自身动力特性对涡激运动内在影响的定量预报尚未揭示，因此，我国迫切需要进一步深入完善多立柱FDPSO涡激运动的数值计算及试验研究，揭示FDPSO非线性涡激运动的形成、发展、演化、稳定机理，建立定量预报数学模型.

深水多立柱FDPSO涡激运动研究可以采用CFD数值模拟及模型试验两种手段，围绕如下关键科学问题进行深入和系统研究:1)波流联合作用下深水多立柱FDPSO复杂绕流特性及水动力性能预报;2)深水多立柱FDPSO耦合流场计算流体动力学建模与涡激运动特性分析;3)基于复杂耦合多因素下的深水多立柱FDPSO涡激运动定量表达及预报;4)深水多立柱FDPSO涡激运动非线性运动稳定性分析及混沌动力学研究.从而揭示FDPSO平台涡激运动与其独有的升沉补偿系统、立柱截面形式、立柱间距比、来流速度与流向、吃水深度等多因素之间的定量函数关系，为有效控制多立柱FDPSO的涡激运动问题以及提出适合多立柱FDPSO涡激运动的减涡装置奠定技术基础.

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