超大型浮式平台风载荷计算

2023-01-09凌宏杰王志东刘佳辉

中国海洋平台 2022年6期

凌宏杰，王志东，安帅，刘佳辉

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

0 引言

随着南海岛礁建设和资源不断开发，针对南海旅游资源开发，中国船舶科学研究中心设计一款超大型浮式平台初步构型(见图1)，提供一种全新理念下的海上度假方式。抵御南海恶劣的风浪环境、保障安全可靠性是南海任何浮式平台必须解决的首要问题。南海每年均有不同强度的台风(见表1，数据来自中国气象局官网统计)经过，台风等级如表2所示(数据来自中国气象局)。平台风载荷是设计中不容忽视的因素，因此有必要选择不同的计算方法以达到准确评估平台所受风载荷的目的，从而指导平台上层建筑的优化设计，进而保证平台的安全运营。以风速40 m/s作为计算输入条件，研究风速接近13级台风上限。

图1 超大型浮式平台

表1 2010—2020年南海台风统计个

表2 台风等级

风洞试验是船舶与海洋工程结构物风载荷评估公认可靠的方法，但其具有经济性差、耗时长的缺点。随着计算机算力不断提升与数值计算方法不断成熟，实尺度、大范围的风载荷数值计算成为可能，采用数值方法解决复杂结构风载荷问题具有较高的可靠性，数值计算具有成本低、效率高、发展空间大的特点。规范计算因为其计算简单、速度快的优势，是目前工程界风载荷计算的主流方法。

文献[1-3]通过风洞试验研究屋顶复杂结构与自升式平台的风载荷特性，试验过程耗时长、成本高。陈胜等[4]将风洞试验结果与国内外风载荷规范进行对比，表明在斜风向角时两者存在较大差异。汤晶等[5]对比3种规范之间自升式平台风载荷计算方法差异。张亚晖等[6]采用规范方法与CFD方法对集装箱起重机运输船的风载荷进行计算和比较，发现在遮蔽影响复杂情况下规范方法计算结果偏于保守。文献[7-8]运用CFD方法研究不同风向角的风载荷。常亮等[9]将CFD计算结果与风洞试验结果进行对比，两者吻合较好，证实CFD方法的可靠性。

本文所研究海洋平台上层建筑具有尺度大、构型复杂、低矮大立面构型等特点，给数值和规范在该类型结构风载荷计算带来较大的难度。采用CCS规范、DNV规范和CFD方法计算平台水线以上部分所受风载荷，对比3种方法计算结果间的差异；构建一套平台空间位置风载荷影响分析方法，形象直观地看出平台空间位置对风载荷的贡献量及模块间遮蔽效应影响程度；分析平台上三大功能模块间遮蔽效应对风载荷的影响。完成超大型浮式结构物复杂上层结构风载荷的规范与数值计算，研究结果对指导超大型浮式平台上层结构优化设计及系泊系统设计提供理论和技术支撑。

1 数值计算模型与计算方法

1.1 模型建立及网格划分

以中国船舶科学研究中心设计的超大型浮式平台型线图为基础完成三维建模，将平台从自由面处剖开，保留自由面以上部分作为风载荷计算模型，模型由4个大模块构成，分别为G1～G4，如图2所示。平台主尺度参数如表3所示。

图2 计算模型

表3 平台主尺度参数

计算中坐标定义如图3所示，沿x轴为平台长度方向，沿y轴为宽度方向。坐标系原点为贝壳状顶点与吃水水线面的交点，x轴以指向尾部为正，y轴以右舷为正，z轴以竖直向上为正。风向角定义为与x轴正向的夹角。

图3 坐标系定义

计算域参数设置如下：模型固定于计算域底部，计算域边界前后左右距平台中心点2.5L(L为平台特征长度)，顶部距底部0.5L。底部为不可滑移边界条件，顶部为零压力边界条件，四周边界根据风向不同设置速度大小和方向或者远场边界条件，固壁采用标准壁面函数。该方法可以一套网格且无须旋转计算模型即可完成所有风向的计算，减少网格生成次数，可避免滑移网格或重叠网格在交界面插值精度和求解速度的影响。在平台周围构筑圆柱形加密区，风传播方向采用十字交叉的矩形加密区，远离平台风速度梯度小的区域采用稀疏网格，由于平台构型较为复杂，尤其是贝壳波纹状屋顶消耗较多网格，保证最小构件表征网格数量不少于6个。在保证对风场进行精度捕获的基础上，适当控制网格数量、提高计算效率，计算域网格数为1 596万个。平台风载荷计算域和表面网格分布分别如图4和图5所示。

图4 平台风载荷计算域示例

图5 平台表面网格分布

1.2 数值计算方法

采用定常计算，控制方程采用有限体积法离散，选用k-ω(SST-Menter)湍流模型，扩散项采用中心差分格式，对流项采用二阶迎风差分格式，应用SIMPLE法解决压力和速度耦合问题。设计风速v0=40 m/s，由于平台关于x轴对称，计算风向角β=0°～180°，间隔Δβ=15°，空气温度t=15 ℃，密度ρ=1.2 kg/m3。

1.3 规范计算方法

规范计算风载荷方法分为投影面积法和投影风压法两类[10]，投影面积法以中国船级社(CCS)、美国船级社(ABS)规范为代表，投影风压法以挪威船级社(DNV)、美国石油学会(API)规范为代表。本研究选取CCS和DNV规范进行计算。

1.3.1 CCS规范计算方法

CCS《海上移动平台入级规范》[11]定义风力方向与来风方向一致。风力F计算公式为

(1)

式中：Cs为形状因数；v0为设计风速，m/s；Ch为高度因数；S为正投影面积。

1.3.2 DNV规范计算方法

DNV规范EnvironmentalConditionsandEnvironmentalLoads[12]定义风力方向垂直于受风模块。风力F计算公式为

F=0.5ρCsv(z)2Ssinα

(2)

式中：v(z)为不同高度风速函数；α为风向与受风面的夹角。

(3)

式中：v0为风速，取距海平面10 m高度的时均风速。

由图6可知：当风速为40 m/s时，采用CCS与DNV方法计算本研究模型1 m2迎风面的物体在不同高度z下受到的风载荷存在明显差别。

图6 风载荷随高度变化曲线(v0=40 m/s)

2 计算结果与分析

2.1 规范与数值计算结果对比

针对研究对象，分别采用CCS规范方法、DNV规范方法和CFD数值方法计算其风载荷。由于DNV规范方法在遮蔽因数方面考虑优于CCS，因此在采用CCS规范进行计算时遮蔽因数选取参照DNV规范方法。3种方法计算结果对比如图7～图9和表4所示。风阻因数Cf计算公式为

(4)

由图7～图9和表4可知：

(1) 3种方法计算的合风力、纵向风力和横向风力随风向的分布形式基本一致，但是风载荷计算值存在一定差异。

(2) 当风向角β=180°时，合风力出现最大值(3种方法一致)，分别为10 912 kN、12 893 kN和12 639 kN。CCS方法比DNV方法偏小15.36%，比CFD方法偏小13.67%。在CCS方法与DNV方法的偏差中，一部分是随高度变化的影响。

(3) CCS方法计算的合风力的方向与风向一致，DNV方法计算的合风力方向与风向间有4°～15°的偏差，CFD方法计算的合风力的方向与风向间的偏差为2°～15°，斜风时合风力方向与风向偏差大。

(4) DNV方法与CFD方法的计算结果较为接近，误差普遍小于8%，最大误差在风向角β=135°和225°时达10.19%。在斜风向时，由于风流经平台各模块时，模块间存在遮蔽效应，风场较为复杂，规范中遮蔽因数无法充分表达遮蔽效应影响。

图7 3种方法合风力计算结果对比

图8 3种方法纵向风力计算结果对比

图9 3种方法横向风力计算结果对比

2.2 平台空间位置对风载荷影响

为了便于定量说明平台上层建筑空间布局对风载荷的贡献量，将平台沿x方向和y方向分别制作40个切面，称为X切面和Y切面(图10和图11中共计40个同心圆，每个圆半径代表切面位置)，将平台的x和y方向尺度进行归一化处理x/L、y/B(图10和图11的X切面中标尺0代表坐标原点位置、1代表平台长度顶端；Y切面中标尺0代表宽度的下边缘、1代表宽度的上边缘)。以平台空间位置为半径画圆，圆周向代表风向角绘制不同切面对应的x和y方向风载荷(单位：N)云图，如图10和图11所示。

表4 3种方法计算结果对比

由图10(a)可知：(1) 平台x方向风载荷贡献主要为平台0.20L～0.35L对应G1区域上缘，0.50L对应的G2区域，0.80L～0.90L对应的G3后半区域，G3区域的贡献量明显大于其他2个区域；(2) 当风向角为-45°(315°)～45°和135°～225°时，G1、G2和G3等3个区域风载荷较大，风向角为135°～225°的风载荷大于风向角为-45°(315°)～45°的风载荷；(3) 当风向角为-45°(315°)～45°时，由于受到G1和G2区域遮蔽效应，G3区域风载荷小于风向角为135°～225°时。

图10 不同空间位置x方向力分布

图11 不同空间位置y方向力分布

由图10(b)可知：(1) 平台x方向风载荷贡献主要为平台0.40B～0.60B，0.50B为最大截面积；(2) 当风向角为30°～120°和240°～330°时，平台0.40B～0.60B风载荷较大；(3) 风载荷分布关于x轴具有不对称性，迎风面受载荷显著大于背风面。

由图11(a)可知：(1) 平台y方向风载荷贡献主要为平台0.20L～0.35L对应G1区域上缘、0.50L对应的G2区域、0.60L～0.90L对应的G3区域，G3区域的贡献量明显大于其他2个区域；(2) 当风向角为30°～150°和210°～330°时，G1、G2和G3等3个区域风载荷较大，横风状态风载荷最大。

由图11(b)可知：(1) 平台y方向风载荷贡献主要为平台0.30B～0.65B；(2) 当风向角为45°～135°时，平台0.30B～0.50B风载荷较大；当风向角为225°～315°时，平台0.50B～0.65B风载荷较大；(3) 受到结构物的遮蔽效应，各截面受风载荷与风向角有关，风载荷分布关于x轴具有不对称性。

2.3 平台模块间遮蔽影响分析

由第2.2节可知，遮蔽效应对风载荷空间分布及风载荷计算影响较大，采用数值方法可定量给出风场和平台风压分布特征。定义平台表面风压因数Cpi为

(4)

式中：Pi为网格节点中心处压力；P∞为远场压力；v∞为远场速度。

图12为不同风向模块平台表面风压因数分布，图13为不同风向角下平台距离水面10 m处模块间风速分布。

(1) 由图12(f)可知，当β=180°时，G3迎风面的风压因数远大于G2和G1迎风面的风压因数，G2和G1迎风面的风压因数相近；由图13(f)可知，G2和G1处于G3尾流场内，G2和G1区域风速远小于40 m/s的设计风速；当β=0°时存在相似的遮蔽现象，但G1模块贝壳状屋顶具有良好的导流效果，风压因数约0.5，明显小于垂直立面的风压因数约1.0。这说明在艏、艉来风时，后面2个模块受到第1个模块遮蔽效应影响，风载荷明显减小。

(2) 当β=90°时，4个模块平行布置于风场中，由图13(c)可知，模块相互间无明显的遮蔽效应，但每个模块背风面处于迎风面遮蔽区域内；由图12(c)可知，背风面风压因数明显低于迎风面。

(3) 当风向趋近于横风状态时，G1、G2和G3模块迎风面的风压因数趋于一致，说明遮蔽效应的影响逐渐减小。由图13可知，不同风向角下受到前排模块遮蔽效应所形成的尾流场分布的形态和尺度均有所不同，与前排模块阻碍风流动平面的满实度、模块间距、模块尺度有关。