排烟烟流影响下的海洋平台气流场形态仿真

张文国，陆 超

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

海洋平台多在开阔海域长期工作，易遭遇各种形式的海上气流变化，而形成不同的气流场特性。在国内外海洋平台常规设计流程中，通常都只对平台进行单一空气来流成分的风载荷试验和计算，未考虑烟流条件下平台整体的气流场特性。

实际作业中，由于有持续排烟(如发电机组排烟、火炬塔燃烧热流等)存在，会对海洋平台甲板面气流场环境造成如下影响。

首先，如烟流随来流向作业甲板面扩散，会污染露天工作区域的空气环境，高温、高硫气体也会对表面油气作业安全造成潜在危害;

其次，如烟流扩散至直升机飞行甲板及周边区域会造成直升机起降区气流速度场不均匀，易导致发动机进气不稳定以及风力切变等情况，不利于航空安全作业［1－2］。

随着现代海洋平台深水化、大型化和多功能化，平台甲板面作业设施更加复杂多样，以及直升机等装备的普及应用，受海上环境条件变化造成气流场潜在安全风险也会增加。

有鉴于此，本文在常规舰船气流场仿真研究方法的基础上［3－4］初步考虑排烟烟流与空气来流的交互作用，进行海洋平台排烟状态下的气流场仿真方法的初步探索，并对仿真计算结果进行初步的对比分析，并总结现有方法的局限和下一步需要展开的工作。

1 计算方法总体思路

本文参考舰船气流场仿真计算的思路［5］，采用三维建模－网格划分－ 计算模型选取－ 定义边界条件－ 仿真结果分析的基本步骤［6－7］展开工作。同时，在建模及计算时考虑本文研究的环境条件特点。

为保证海上作业精度，通常采用系泊或动力定位系统控制相对固定的姿态。在此情况下，平台的受风姿态是相对固定的，但海上风向随机可变。因此，为获得平台流场较完整的形态，在定义来流方向时，应考虑周向不同角度的来流情况。

本文重点关注的区域是平台露天各部位以及直升机飞行甲板附近区域，在确定计算域大小时，在保证来流和去流方向空间充足的前提下应选择适当尺度即可。

由于海洋平台上层结构较为复杂，各类甲板面设施尺度差异较大，宜选用非结构化网格进行网格划分，同时对重点区域需进行加密。

Ansys 软件平台是目前在流场仿真领域应用较为广泛的仿真计算平台［7］，且在舰船仿真中已实际应用并验证了趋势和数据的拟合性。

综合考虑上述因素，本文确定以Ansys 软件为平台，建立适当尺度三维计算域，定义烟流和空气流2 种流体介质，采用非结构化网格进行多风向来流计算的总体思路。

2 建模及网格划分

本文计算的三维平台为一种双浮筒、四立柱半潜式平台。平台上层建筑位于主甲板以上，参考平台布置相关原则［4］对称分布;2 块直升机飞行甲板从主甲板后方伸出，按纵向对称布置;平台设有4部排烟管，等距对称分布于2 块直升机平台之间，排烟口中轴线向下与水平面呈45°角。平台主尺度如表1 所示。

表1 平台主尺度Tab.1 Main dimensions of platform

三维建模及网格划分在Ansys ICEM 中进行，海洋平台三维模型如图1 所示。排烟管分布状态如图2 所示。

图1 海洋平台三维模型Fig.1 3D Model in ICEM

图2 排烟管分布状态Fig.2 Exhaust tubes

本文计算状态为海洋平台半潜吃水状态，因此建模完毕后，需将平台吃水以下部分删除，并建立计算域。为保证各方向来流和去流方向均充分流动，本文采用矩形计算域，其中底面及顶面呈正方形，边长为五倍平台长度(575 m);侧面为矩形，高度约为2 倍平台高度(50 m)。模型及计算域建立如图3 所示。

模型及计算域采用非结构化网格划分，为保证平台附近的计算精度，对平台排烟管部分及后方区域的网格尺寸进行加密，网格数量约330万级。

图3 计算域建模状态Fig.3 Calculation box

图4 排烟管网格加密及添加密度盒Fig.4 Intensify of tunnels and density box

3 湍流模型及边界条件选取

3.1 湍流模型选取

烟流在来流空气中的交互作用是较为复杂的问题，且海上实际来流的随机性强。为便于方法初步探索，保证计算精度，本文采用的是理想化计算条件:

1)来流空气视为不可压缩流体，且符合Boussinesq 假设，其密度变化仅对浮力产生影响;

2)排烟烟流视为稳态湍流，暂不计入粘性力做功引起的热耗散。

在目前已有的湍流计算模型中，两方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型是标准k -ε 模型［8－9］，是在一方程模型的基础上，新引入关于湍动耗散率ε 的方程后形成。相比其他湍流模型，kε 模型在仿真计算中应用最广，且与本文理想化计算条件相适应，因此本论文选用标准k - ε 模型。

在该模型中，湍流中单位质量流体脉动动能的耗散率，对于高雷诺数的各向同性湍流流动中:

假设对单位体积的流体，从较大的涡向较小的涡传递能量的速率正比于ρk，而反比于传递时间;另外，传递时间与湍流长度标尺l 成正比，与湍流脉动速度成反比，于是有:

湍流耗散率为:

与此同时，k 方程式(2)可改写为:

3.2 边界条件选取

本文参照舰船空气流场计算方法定义空气来流边界条件。首先定义平台方位坐标系为以海平面为基面的右手三维坐标系，z 轴垂直向上，xy 平面坐标系定义如图5 所示。

图5 海洋平台xy 平面坐标系Fig.5 Coordinate system of xy plan

来流方向风向角按照xy 平面x 轴所指顺时针为正，以45° 间 隔 分 别 定 义0°，45°，90°，135°，180°，－135°，－90°，－45°共计7 个工况。

本文定义2 个入口边界条件，分别是空气来流入口边界条件和烟流入口边界条件。空气来流入口边界条件为均匀来流，入口速度为10 m/s，温度为25℃，入口风向角按照各工况给定风向角设置;烟流入口边界条件定义为烟流组分均匀来流，入口速度为40 m/s，温度为65℃，出口风向始终垂直于排烟口平面。

考虑到充分观察去流方向的气流场形态，本文的出口边界设定为相对压力0 Pa。

固壁面边界条件主要在海洋平台和底面定义。

4 仿真计算及结果初步分析

4.1 仿真计算

仿真计算在Ansys FLUENT 中进行，计算步长为100步。使用工作站配置为四核、8G 内存普通台式工作站，单个工况计算时长约180 min。图6 为计算收敛情况。

图6 FLUENT 计算收敛情况Fig.6 Iteration plan

计算完成后在Ansys CFD－Post 中进行结果后处理。

4.2 仿真结果初步分析

由于边界条件按照理想化条件选取，因此本文所述仿真计算在完成全部流程的基础上仅进行形态定性分析。

4.2.1 各工况气流场总体形态分析

各工况气流场总体形态如图7 所示。

图7 0°风向角气流场形态Fig.7 Air flow at WOD 0°

由图7 可知，平台正迎风风向时，尾部排烟随来流对称向后扩散，并形成尾涡系，速度伴随涡系向后延伸逐渐减少，未与平台发生接触。

图8 －45°风向角气流场形态Fig.8 Air flow at WOD－45°

由图8 可知，当来流方向发生一定偏角时，尾部排烟也向去流一侧偏移，但由于平台气隙产生了涡流和减速作用，靠近平台气隙涡流的烟流形成涡流较为明显，并有绕向立柱的趋势。

图9 －90°风向角气流场形态Fig. 9 Air flow at WOD－90°

由图9 可知，当来流方向为正横方向时，尾部排烟进一步向去流一侧偏移，并开始绕向左舷立柱，并在绕过立柱后形成明显的涡流且已远离直升机平台区域。

图10 －135°风向角气流场形态Fig.10 Air flow at WOD－135°

由图10 可知，当来流为斜后方向时，尾部排烟开始绕过一侧立柱向前方扩散，并部分穿过平台气隙区域。

图11 180°风向角气流场形态Fig.11 Air flow at WOD180°

由图11 可知，尾烟排出后即被来流带向平台气隙区域，并逐渐形成对称涡流向后方扩散，此时整个气隙区域均充满了烟流，但未对直升机飞行甲板造成影响。

本文通过仿真还发现，由于平台整体布置纵向对称，对称正角来流工况的数值仿真结果与负角来流工况的数值仿真结果对称，因此此处不再冗述。

4.2.2 部分工况局部剖面形态仿真分析

为进一步观察流场形态，了解烟流扩散对直升机起降区域的影响，本文还截取了风向角为－90°和－135°等2 个较恶劣工况下平台飞行甲板区域流场剖面仿真结果，并在图中作出直升机轨迹线辅助观察分析。

图12 －90°风向角飞行甲板剖面速度场形态Fig.12 Heli-deck section air flow at WOD－90°

由图12 可知，横向来流时，出口处烟流排出后距离直升机甲板，在上层建筑附近有涡流存在但并未扩散至直升机平台区域。

图13 －135°风向角飞行甲板剖面速度场形态Fig.13 Heli-deck section air flow at WOD－135°

由图13 可知，受侧后方来流的影响，可观察到排出烟流随来流穿过平台气隙，并未向直升机甲板扩散。在此工况下，虽然不会对直升机起降区域产生明显影响，但考虑到平台底部可能布置有孔洞，或钻采型平台留有月井等开口，排烟中高温高毒性粒子在气隙区域内有可能向这些孔洞扩散，有可能对安全和平台人员活动环境造成潜在影响。

5 结 语

综上所述，本文通过参考舰船空气流场研究的方法，综合考虑海洋平台排烟及其海上作业特点，初步探索了一种考虑烟流的气流场形态仿真方法。通过初步仿真计算和分析，可得出以下结论:

1)使用数值仿真手段对海洋平台的废气排烟气流场进行简化模拟，方法和流程可行。

2)对计算边界条件进行了适当理想化设置，后续研究中应适当考虑能量交换作用及其他计算因素。

3)当海洋平台采用向下排烟方式时，烟流在定常来流环境中通常不会对上部甲板面作业产生影响，但当平台具有立管机构或其他设施穿过气隙区域时，应考虑烟流的潜在危害。

向下排烟方式可屏蔽排烟对平台上部气流场的影响，但也存在一定的潜在危害，本文排烟管采用双段折角形式，出口按照垂直方向夹角30°向下排烟，后续可通过改变排烟管长度及出烟角度分析相关规律变化。考虑到海洋平台也有采用上部排烟形式的实例，该形式对平台周边气流场特性的影响也可作为进一步研究的方向予以考虑。

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