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长风破浪会有时,直挂云帆济沧海

南流坊 2020-11-20 13:38:40

石油是推动经济发展的血液,全球每天的消耗量高达8000万桶。近10年来新发现的油气田60%位于海上,预计未来全球油气储量40%都将集中于深海区域。随着海洋油气开发逐渐向深海、远海发展,铺设长距离油气回输管线的成本越来越高、风险也越来越大。解决这一难题最有效的途径就是在海上建设油气加工厂——FPSO。


海上油气处理厂

FPSO即Floating Production Storage and Offloading,中文是海上浮式生产储油船。FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输,集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比,FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大,以及可转移、重复使用的优点,广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发,已成为海上油气田开发的主流生产方式。

FPSO始于20世纪70年代中期。它具有两个特点:一是体型庞大,船体一般从5~30万吨,一艘30万吨的FPSO甲板面积相当于3个足球场。二是功能较多,FPSO集合了各种油田设施,对油气水实施分离处理和原油储存,故被称为"海上工厂"、"油田心脏"。FPSO主要由船体、负责油气生产处理的上部模块和水下单点系泊系统三部分组成,一般适用于20~2000米不同水深和各种环境的海况,通过固定式单点或悬链式单点系泊系统固定在海上,可随风、浪和水流的作用进行360度全方位的自由旋转,规避风浪带来的破坏力。


一碧千里,碧波万倾

甲板上浪(Green Water)与波浪砰击也是当前国际FPSO工程和研究领域关注的问题。甲板上浪通常指当船舶遭遇波浪,来波作用于船体并超越干舷,海水冲上甲板的现象。一般情况下,甲板上的流体最终会慢慢流出甲板,不会引起危害,然而在恶劣的海况下大量的海水涌上甲板,巨大的冲击力会对甲板上的设备、货物和上层建筑等造成破坏,甲板上的货物也可能被冲散。在高速航行状态下,严重的甲板上浪甚至可能导致船舶的倾覆。近些年,越来越多的FPSO在近海和远海中投人使用,由于FPSO需定位(系泊)于特定海域进行海上作业,它的船首总是暴露在巨浪作用下,其所处的环境相对于普通船舶来说更为恶劣,而且它不能像普通船舶那样采取改变航向等措施减小或避免上浪的危害,因此甲板上浪导致的FPSO严重损坏的事故时有发生,引起了船舶与海洋工程界的极大关注。

甲板上浪主要是两种机制共同作用的结果,即陡峭而活力的波浪或波群和海上建筑物的低头运动。甲板上浪发生过程大致可分为以下四个阶段:波浪爬高、甲板进水、甲板上水体流动和水体冲击甲板或甲板设备舱室。这些阶段是互相连接,并不能严格分开。通常情况下,水流进人甲板时沿着甲板的流动更像溃坝的情形,紧集在一起的一团水体冲上甲板,沿着甲板产生一股速度不断增加的水流,冲击甲板上的设备和甲板室,产生冲击载荷。如果垂向相对速度与水平速度相比大很多,当水体进人甲板之初,水流根本不会翻卷,这时移上甲板的水体像一座直墙,上部弯曲,显出要破碎 的样子。然而,由于甲板上准静压力非常高,贴近甲板的水体迅速加速,阻止了水体的破碎。在船首最前面的水体,有一纵向速度,船首两边的水体则有一个朝向甲板中央的分速度,三股水流相遇,产生一个很高的“水舌”,并以很高的速度沿着甲板中央向后流去。这股高速水流在甲板上建筑的中部形成一个集中的载荷。另一类是翻卷状的碎浪,直接冲向甲板室,产生巨大的冲击载荷,这类波浪在到达船首前多半已经接近破碎了。碎波冲击甲板后,形成两股射流,一股流向船首,一股离开船首向后流去,在分流处有空气泡形成。当空气泡破灭成许多小泡时,这些小泡将随流迁移,并在自由面上消失。此后流动沿甲板充分发展,最后慢慢流出甲板。随着空气容积的减小,破碎会产生很高的压力,将对结构造成威胁,破坏程度与该项压力存在时间的长短和空间范围的大小有关。


CFD分析

甲板上浪问题很久以前就已被海洋工程界所关注,但该问题在数学上是个极难求解的强非线性问题,现象又十分复杂,人们在很长时间内束手无策。以往,耗费时间和昂贵的物理实验是唯一的分析研究方法,以确保船只能够在不受损害的情况下经受尽可能多的海况,但这种通过检测模型的实验方法对于非常结构设备非常复杂的FPSO有一定的局限性,很难预先预测哪里会有较高的载荷,所以传感器往往布置在不正确的位置。

随着理论的发展和计算能力的不断提高,人们对上浪问题才逐步有了更深人的认识,可以通过数值模拟的方法来进行更深入的研究,通过CFD仿真分析,减少了所需的实验,并获得更详细的分析数据。


FPSO船体和甲板结构的波浪冲击载荷CFD模拟


CFD进行FPSO甲板上浪分析研究的优势:

  • 有效性

由于FPSO的工作环境较一般船舶更为恶略,因此就对FPSO甲板结构设计就提出了更高的要求,这种结构设计的加强可能需要增加诸如结构屏障和甲板设备局部增强等措施。这些措施增加了结构的重量,增加了成本,降低了船舶的存储能力。因此,优化分析的目标是尽可能准确的量化船舶所受到的负载,为结构设计提高可靠有效的依据,从而保证设计有足够的安全边际而且不会造成过度设计。

传统的实验研究,一般都是利用缩小尺寸的等效模型进行分析,由于空间的限制,因此只能在甲板上布置有限的传感器进行少量的载荷测量。这就需要在实验前必须对其结构上的力进行估算,找到模型的关键区域,如果估算的不准确,则实验结果的有效性将大打折扣。而CFD分析计算,则不需要进行事先的估算,计算模型中任何一点的数据都可以获得,大大提高了研究分析的分别率,为最终设计优化提供更有效的数据支持。

CFD网格加密区域


  • 快捷性

传统的实验研究需要模型制作、设备调试、多工况试验比较等一系列工作,需要相当一段长的时间来进行计划、准备和运行,而且非常昂贵,而CFD计算分析则要相对便捷的多。

在CFD分析计算过程中,先实测海域水文数据,通过数值变换得到计算海区波谱,编写FLUENT用户子程序作为CFD模拟的边界条件。将实验室中测量的实验模型的运动规律,作为CFD模拟使用动态网格计算的运动描述。运用多相流(VOF)模型来计算水和空气之间的界面跟踪,使用二维模型进行网格细化研究,以选择合适的波传播网格细化算法。最终,可将仿真结果与实验结果进行比较,对计算模型的准确性进行验证。

不同视角模拟结果


计算与实验结果对比


  • 完整性

模拟结果提供了大量的物理实验无法测量的信息。例如,模拟甲板结构和船体每一点上的载荷。此外,模拟提供了足够的测量数据来确定波流相互作用下对船体影响的物理机制。


其他FPSO相关水动力学研究内容

  • 深水FPSO与系泊、立管系统的耦合水动力分析

系泊FPSO系统在风浪流作用下的水动力性能数值分析是热点问题,自FPSO诞生之日起,即有大量学者投入研究。CFD可以计算在波流联合作用下的FPSO与系泊、立管系统的耦合水动力特性。

  • FPSO与穿梭油轮组成的多浮体系统水动力分析

FPSO与串靠或旁靠穿梭油轮通过柔性系泊连接组成了多浮体系统,其水动力相互作用的研究分析对于设计柔性系泊系统、防止发生碰撞事故等都非常重要,因而正受到越来越多的关注。应用三维CFD技术可以模拟FPSO与穿梭油轮的屏蔽流场,分析流遮蔽效应的经验模型,计算FPSO与穿梭油轮组成的多浮体系统水动力特性。

  • 横摇运动及其减摇措施

同普通船舶一样,横摇运动及其减摇措施的研究也是FPSO的研究课题之一。即使单点系泊FPSO具有良好的风标效应,影响油气生产、卸油、直升机起降、补给船靠泊等作业的严重横摇运动也不可避免。而且,由于非线性粘性阻尼的存在使得横摇运动的准确预测非常困难。

  • 单点系泊FPSO的水平面运动稳定性

CFD可以考虑吃水、转塔纵向位置、风速、流速、波谱和入射角等多种相关参数的作用下,对单点系泊FPSO的动态稳定性进行研究分析。


FLUENT计算船舶水动力学的优势

  • FLUENT具有丰富的湍流模型

FLENT软件中在工程上常用的涡粘湍流模式有六种,它们分别是:一方程的S-A模型,二方程的标准k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、标准的k-ω模型和SST k-ω模型。

由于船舶绕流中存在大曲率弯曲壁面流动,船尾部流场复杂,因此湍流模式的选取对计算结果的精度有很大影响,通过对上述六种湍流模式进行了对比研究,结果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比较适合于船舶粘性流场的数值模拟。

  • FLUENT具有强大多相流技术

FLUENT标准模块中还包括许多的多相流模型,其中VOF模型(Volume of Fluid)可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动,如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、船用螺旋桨的空化模拟。

  • FLUENT具有强大的动网格技术

FLUENT软件的六自由度动网格技术主要用于计算运动壁面边界问题,即计算边界发生位移形变的问题,边界的形变过程可以是已知的,也可以是取决于内部流场变化的。在计算前首先要给定体网格的初始定义,在边界发生形变后,其内部网格的重新划分是在FLUENT内部自动完成的,而边界的形变过程即可以用边界函数来定义,也可以用UDF函数来定义。

该技术常用于船舶在非均匀来流如波浪作用下的6自由度运动(含有船舶晃荡),船舶在水面或水下的回转运动等。

  • FLUENT具有单、双向流固耦合及参数化技术

该技术可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋桨桨叶、轴套等构件的流固耦合分析,目前已经有相当多的船舶客户开始对船舶的球鼻艏及桨叶进行双向耦合仿真分析。

另外,FLUENT被集成在Workbench平台下后,能方便地对模型、网格尺寸、边界条件等进行参数化分析,能大大提高船舶在初步设计过程中会涉及到的大量系列设计、相似设计的工作效率,即客户只需要计算一种工况,模型或边界条件修改后的工况,软件会自动求解并输出多工况的仿真计算结果。

除了参数化功能外,FLUENT软件还可以结合Workbench平台下DX优化模块,能方便地实现优化分析,即优化船舶来流速度或者攻角,寻找船舶受到的最小阻力。

  • FLUENT具有强大的后处理技术

ANSYS的CFDPOST后处理模块,具有强大的3D渲染效果;能方便地对模型进行着色、透明、网格显示等处理;能同时显示云图、矢量图、流线图等功能;能方便地做出各变量随时间、空间位置变化的动画;能对多工况进行同步后处理(软件还能自动寻找两种工况的差异),也可以只需要处理一种计算结果,其它的相似工况都可以共享之前的后处理设置,大大提高后处理效率;能自动输出仿真计算报告:含有网格信息、边界条件信息、后处理图片及数据处理等信息。