不同月池形状对钻井船附加阻力的影响

姚震球，孙 硕，凌宏杰，周伟楠

(江苏科技大学 a.海洋装备研究院; b.船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

钻井船凭借较大的可变载荷和良好的机动性，已成为深海油气资源开发的一大利器。月池是钻井船中部垂直贯穿船体、连接甲板与海底的空腔结构，通过月池可将船上钻井设备和立管等下放至海中进行钻井作业。月池可有效减小外部波浪对钻井设备的影响，保证安全作业[1-2]。由于钻井船需经常转移至不同海域进行新油田的钻探和开采，月池的存在导致钻井船在航行中存在附加的月池阻力，影响航行性能。因此，有必要开展月池形状对钻井船附加阻力影响的研究[3]，优化其性能。

利用 CFD 数值水池开展钻井船附加阻力性能研究是较为方便的技术。孙采微[4]建立基于N-S方程和流体体积(Volume of Fluid，VOF)法的数值波浪水池，分析带有方形月池的钻井船月池内流体振荡机理。刘学勤等[5]研究深水钻井船阻力性能及月池改进措施，对两艘不同的钻井船进行阻力性能分析，分别对有月池方案和无月池方案的钻井船进行绕流场和阻力计算，并将数值计算得到的阻力与模型试验结果进行对比。金瑞健等[6]通过模型试验研究工作月池在关闭与开启状态下对船舶阻力的影响，还研究工作月池不同底部倒圆半径和侧壁格栅开孔率对月池阻力的影响。张晓宇等[7]和王硕等[8]分别对钻井船月池附加阻力进行一定的研究。

应用FINE/Marine软件，开展钻井船无月池、阶梯形月池和优化后阶梯形月池方案对附加阻力性能的影响研究。对航行中月池内非定常流动进行模拟，分析附加阻力成因与影响因素，并通过不同形状月池附加阻力计算及对比分析，验证和预报月池优化结果。

1 数值模拟方法

以超深水钻井船为研究对象，构建其分析模型。该钻井船中部设置阶梯形矩形月池，其主尺度如表1所示。

表1 钻井船月池主尺度

1.1 计算模型与月池方案

为便于数值模拟，对超深水钻井船实船按照1∶36进行缩尺。采用三维建模软件SolidWorks 建立三维数值计算模型。钻井船三维模型如图1所示。

图1 钻井船三维模型

为研究不同形状月池对钻井船附加阻力的影响，考虑3种月池方案：

(1) 方案1：月池完全遮蔽，即无月池方案；

(2) 方案2：阶梯形月池方案(见图2)；

图2 阶梯形月池方案

(3) 方案3：后部带倾角阶梯形月池方案(优化方案为月池后壁下部向后倾斜，底角斜切，见图3)。

图3 后部带倾角阶梯形月池

1.2 数值模拟方法

数值模拟采用VOF 法。流场为黏性不可压流场，使用连续性方程和 RANS 方程，计算时采用湍流模型k-ω剪切压力传输(Shear Stress Transport, SST)模型、 SIMPLE算法[4]进行求解。

(1)

(2)

1.3 计算域及网格

将三维模型导入全六面体非结构 HEXPRESS 网格生成器进行网格划分，计算域选择船模距入口2倍船长2L、距出口3L、距上下边界分别0.5L和1.5L、左右边界各1.5L。计算域长为32.50 m，宽为19.50 m，高为16.25 m，计算域及网格如图4所示。船模长6.61 m、宽1.21 m、高0.62 m。对船体以及自由液面处网格进行细分，船体及月池边界层加密，外流域网格相对稀疏。边界层网格如图5所示。计算区域内船体采用标准壁面函数，上边界、下边界采用指定压强(液体静压)边界条件，入口、出口以及左右两侧边界条件设置为远场。

图4 计算域及网格

图5 钻井船附近边界层网格

1.4 网格收敛性验证

分别对3个方案的3种不同数量的网格进行网格收敛性验证。网格加密原则为：对阻力具有影响的船体水下部分湿表面网格进行逐步加密；对月池附加阻力具有较大影响的水线面以及月池池壁使用box工具进行局部加密；对与本研究相关度不大的船体部分进行低密度加密。整体网格保持负网格、凹陷网格、扭曲网格数量为0，网格具有良好的正交性以及纵横比。图6为不同网格数量的船体表面网格对比。

图6 不同网格数量的船体表面网格对比

以方案3为例，采取包含147万个、247万个、351万个网格的粗、中、细等3套网格模型进行网格收敛性验证。实船航速为15 kn，缩尺后模型航速为1.286 m/s，阻力对比结果如图7所示。与粗网格方案相比，中、细网格方案计算时历曲线波形接近，平均值相差较小，网格的收敛性较好。为节省计算机数值仿真计算时间，采用247万个中密度网格开展数值计算。同理，对方案1和方案2分别进行网格收敛性验证，结果一致，故亦采用相同中密度网格方案开展数值计算。

图7 方案3粗、中、细不同网格下的收敛性验证结果

2 航行中钻井船月池内流场仿真

2.1 钻井船阶梯形月池内流场

为探究月池附加阻力特性，寻找减小月池附加阻力的优化方法，对航速为15 kn、带阶梯形月池的钻井船(方案2)开展航行状态下的月池内流场仿真分析，获得钻井船兴波图[9]和月池内速度矢量图。 图8为方案2钻井船船行波波面升高分布云图。图9为方案2放大的月池内自由液面升高云图。图10为方案2钻井船中纵剖面两相流分布图。图11为方案2放大的月池内流体速度矢量图。

图8 方案2钻井船船行波波面升高分布云图

图9 方案2放大的月池内自由液面升高云图

图10 方案2钻井船中纵剖面两相流分布图

图11 方案 2放大的月池内流体速度矢量图

观察图8～图11可得钻井船的行进波系及月池内液面流体速度变化状况。

从总体上看，带月池钻井船首尾行进波系与常规船舶相仿，因此其对附加阻力的形成影响不大。由于存在月池，船底水流在流经月池下方时会带动底部水体一起向后流动，月池开口前端壁下部压强减小，上部水体向下补充，自由液面降低；由于月池后端壁的存在形成阻塞效应，水流以较高流速冲击竖直的月池后端壁，迫使水体向上运动，导致月池内靠近后壁处自由液面升高，月池内上部水体向前补充时形成漩涡；由于月池前部有台阶，在台阶处水体流动更加复杂，部分水体在向前补充时，在台阶前壁反射后向下向后运动，然后与漩涡叠加使漩涡强度增加。上述状况反复发生，导致其阻力曲线呈现简谐波形状(见图7)。

由上述分析可知，月池附加阻力主要源于月池开口中水体的阻塞效应和漩涡运动所产生的阻力。

2.2 形状优化后月池内流场

在钻井船航行过程中，月池内水体阻塞效应以及漩涡运动消耗了大量能量，船底水流与阶梯形月池后端壁呈90°冲击，附加阻力较大。为此在基本不改变其功能、大小和结构特点的情况下进行月池形状优化。将月池后壁下部顺水体流动方向向后倾斜并在其底角斜切，形成优化后的方案3(见图3)。该方案可减小水流与月池后端壁的冲击角度，开辟水体向后流动的通道，同时压制其波面爬升高度，以减小其附加阻力。

对该方案在与方案2同样的条件下进行CFD仿真模拟。图12为方案3钻井船船行波波面升高分布云图。图13为方案3放大的月池内自由液面升高云图。图14为方案3钻井船中纵剖面两相流分布图。图15为方案3放大的月池内流体速度矢量图。

图12 方案3钻井船船行波波面升高分布云图

图13 方案3放大的月池内自由液面升高云图

图14 方案3钻井船中纵剖面两相流分布图

图15 方案3放大的月池内流体速度矢量图

方案3的月池后端壁向后倾斜、底角斜切使底部部分水流可直接越过月池底部，减小沿月池后端壁上升的水流流量，降低水流对月池后端壁的冲击，阻塞情况获得明显改善。对比图15与图11可以发现，改进后漩涡强度降低，减小月池前后端壁压力差，同时减少向前运动的水流在台阶前壁的反射，进一步降低漩涡的强度以及月池内部漩涡运动的能量，因此附加阻力得以降低。

2.3 月池内波高对比

在钻井船月池内部自由液面A点(靠近月池后壁面)和B点(月池台阶下)设置监测点(见图16)，获得了方案2和方案3钻井船月池内自由液面处波高时历曲线，如图17所示。A点反映后壁面处波高，B点则反映月池波面受阶梯的影响。

图16 钻井船月池内自由液面处波高监测点

图17 钻井船月池内自由液面处波高时历曲线

A点液面波高呈现简谐波形，对比方案2与方案3可知优化后的方案3月池波幅整体减小；B点由于受阶梯的影响而产生漩涡运动，方案3月池自由液面波动幅度同样明显减小，表明流体运动剧烈程度降低，同航速下月池附加阻力减小。

3 不同形状月池附加阻力

根据对不同形状月池内流场的仿真，可得出结论：在钻井船航行时底部水流流入月池，为月池内部漩涡运动提供能量；由于月池内的阻塞效应，随着月池内水体的垂荡，月池底部水流的分离及内外水体质量交换产生了月池内的周期性漩涡运动，产生了附加阻力[5]。月池附加阻力包括其自身阻力以及因漩涡运动而产生的阻力。为分析月池形状对附加阻力数值的影响，分别计算不带月池与带不同形状月池方案下的钻井船阻力，并进行对比。

3.1 月池附加阻力计算

分别计算3种月池方案的钻井船阻力，航速范围为11～15 kn，间隔为1 kn。以方案1的阻力为基本值，将方案2和方案3所得阻力与方案1所得阻力相减，即得到不同形状月池的附加阻力，如表2所示。

表2 不同航速3种月池方案的钻井船阻力与月池附加阻力计算结果

3.2 月池附加阻力比较

将CFD计算得到的阻力绘成阻力曲线和月池附加阻力增加百分比曲线，如图18所示。

比较方案 2、方案3与 方案 1阻力曲线发现：钻井船阻力与是否存在月池有关，不同形状月池的存在导致钻井船阻力增加，形成了月池的附加阻力；随着航速增加，带有不同形状月池的钻井船的总阻力增加趋势是一致的；在相同航速下带月池的钻井船阻力比无月池钻井船总阻力增加约9%～20%。

比较方案 2与方案 3月池附加阻力增加百分比曲线可以发现，不同形状的月池附加阻力是不同的。月池形状优化后(方案 3)，相同航速时月池附加阻力明显减小(本船型平均减小近35%)，说明优化月池形状可有效改善钻井船的阻力性能。对比优化前后两种形状的月池：优化后带倾角阶梯形月池附加阻力基本稳定，为总阻力的9%～11%；常规阶梯形月池附加阻力为总阻力的13.5%～20.0%，存在一定的波动现象。

图18 3种方案月池船体阻力对比

4 结 论

通过对不同形状月池内非定常流动特性的研究和钻井船附加阻力的对比分析可知，航行中的钻井船月池内的阻塞效应和流体漩涡运动会产生月池附加阻力，影响航行性能。不同形状月池导致钻井船航行附加月池阻力不同。优化月池形状和结构可有效降低月池内的波高和漩涡强度，改善航行性能。

(1) 通过对有、无月池钻井船的阻力性能和月池内流场特性的对比分析可知，月池内阻塞效应和流体运动所产生的波浪、漩涡消耗了较多的能量，形成了钻井船月池附加阻力。

(2) 减少流体对月池后端壁的冲击，导引流体流出月池，可减少阻塞效应、降低旋涡强度，是优化月池形状和结构的基本思路，可有效减小月池附加阻力。

(3) 通过优化月池形状和结构(以方案 3为例)，将月池后端壁下部设计为向后的斜坡，并在后壁下端处进行斜切处理后，月池附加阻力平均减小近35%，可有效改善钻井船的阻力性能。