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        北京物流信息聯盟

        長風破浪會有時,直掛云帆濟滄海

        南流坊 2021-10-05 16:00:42

        石油是推動經濟發展的血液,全球每天的消耗量高達8000萬桶。近10年來新發現的油氣田60%位于海上,預計未來全球油氣儲量40%都將集中于深海區域。隨著海洋油氣開發逐漸向深海、遠海發展,鋪設長距離油氣回輸管線的成本越來越高、風險也越來越大。解決這一難題最有效的途徑就是在海上建設油氣加工廠——FPSO。


        海上油氣處理廠

        FPSO即Floating Production Storage and Offloading,中文是海上浮式生產儲油船。FPSO是對開采的石油進行油氣分離、處理含油污水、動力發電、供熱、原油產品的儲存和運輸,集人員居住與生產指揮系統于一體的綜合性的大型海上石油生產基地。與其他形式石油生產平臺相比,FPSO具有抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力大,以及可轉移、重復使用的優點,廣泛適合于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發,已成為海上油氣田開發的主流生產方式。

        FPSO始于20世紀70年代中期。它具有兩個特點:一是體型龐大,船體一般從5~30萬噸,一艘30萬噸的FPSO甲板面積相當于3個足球場。二是功能較多,FPSO集合了各種油田設施,對油氣水實施分離處理和原油儲存,故被稱為"海上工廠"、"油田心臟"。FPSO主要由船體、負責油氣生產處理的上部模塊和水下單點系泊系統三部分組成,一般適用于20~2000米不同水深和各種環境的海況,通過固定式單點或懸鏈式單點系泊系統固定在海上,可隨風、浪和水流的作用進行360度全方位的自由旋轉,規避風浪帶來的破壞力。


        一碧千里,碧波萬傾

        甲板上浪(Green Water)與波浪砰擊也是當前國際FPSO工程和研究領域關注的問題。甲板上浪通常指當船舶遭遇波浪,來波作用于船體并超越干舷,海水沖上甲板的現象。一般情況下,甲板上的流體最終會慢慢流出甲板,不會引起危害,然而在惡劣的海況下大量的海水涌上甲板,巨大的沖擊力會對甲板上的設備、貨物和上層建筑等造成破壞,甲板上的貨物也可能被沖散。在高速航行狀態下,嚴重的甲板上浪甚至可能導致船舶的傾覆。近些年,越來越多的FPSO在近海和遠海中投人使用,由于FPSO需定位(系泊)于特定海域進行海上作業,它的船首總是暴露在巨浪作用下,其所處的環境相對于普通船舶來說更為惡劣,而且它不能像普通船舶那樣采取改變航向等措施減小或避免上浪的危害,因此甲板上浪導致的FPSO嚴重損壞的事故時有發生,引起了船舶與海洋工程界的極大關注。

        甲板上浪主要是兩種機制共同作用的結果,即陡峭而活力的波浪或波群和海上建筑物的低頭運動。甲板上浪發生過程大致可分為以下四個階段:波浪爬高、甲板進水、甲板上水體流動和水體沖擊甲板或甲板設備艙室。這些階段是互相連接,并不能嚴格分開。通常情況下,水流進人甲板時沿著甲板的流動更像潰壩的情形,緊集在一起的一團水體沖上甲板,沿著甲板產生一股速度不斷增加的水流,沖擊甲板上的設備和甲板室,產生沖擊載荷。如果垂向相對速度與水平速度相比大很多,當水體進人甲板之初,水流根本不會翻卷,這時移上甲板的水體像一座直墻,上部彎曲,顯出要破碎 的樣子。然而,由于甲板上準靜壓力非常高,貼近甲板的水體迅速加速,阻止了水體的破碎。在船首最前面的水體,有一縱向速度,船首兩邊的水體則有一個朝向甲板中央的分速度,三股水流相遇,產生一個很高的“水舌”,并以很高的速度沿著甲板中央向后流去。這股高速水流在甲板上建筑的中部形成一個集中的載荷。另一類是翻卷狀的碎浪,直接沖向甲板室,產生巨大的沖擊載荷,這類波浪在到達船首前多半已經接近破碎了。碎波沖擊甲板后,形成兩股射流,一股流向船首,一股離開船首向后流去,在分流處有空氣泡形成。當空氣泡破滅成許多小泡時,這些小泡將隨流遷移,并在自由面上消失。此后流動沿甲板充分發展,最后慢慢流出甲板。隨著空氣容積的減小,破碎會產生很高的壓力,將對結構造成威脅,破壞程度與該項壓力存在時間的長短和空間范圍的大小有關。


        CFD分析

        甲板上浪問題很久以前就已被海洋工程界所關注,但該問題在數學上是個極難求解的強非線性問題,現象又十分復雜,人們在很長時間內束手無策。以往,耗費時間和昂貴的物理實驗是唯一的分析研究方法,以確保船只能夠在不受損害的情況下經受盡可能多的海況,但這種通過檢測模型的實驗方法對于非常結構設備非常復雜的FPSO有一定的局限性,很難預先預測哪里會有較高的載荷,所以傳感器往往布置在不正確的位置。

        隨著理論的發展和計算能力的不斷提高,人們對上浪問題才逐步有了更深人的認識,可以通過數值模擬的方法來進行更深入的研究,通過CFD仿真分析,減少了所需的實驗,并獲得更詳細的分析數據。


        FPSO船體和甲板結構的波浪沖擊載荷CFD模擬


        CFD進行FPSO甲板上浪分析研究的優勢:

        • 有效性

        由于FPSO的工作環境較一般船舶更為惡略,因此就對FPSO甲板結構設計就提出了更高的要求,這種結構設計的加強可能需要增加諸如結構屏障和甲板設備局部增強等措施。這些措施增加了結構的重量,增加了成本,降低了船舶的存儲能力。因此,優化分析的目標是盡可能準確的量化船舶所受到的負載,為結構設計提高可靠有效的依據,從而保證設計有足夠的安全邊際而且不會造成過度設計。

        傳統的實驗研究,一般都是利用縮小尺寸的等效模型進行分析,由于空間的限制,因此只能在甲板上布置有限的傳感器進行少量的載荷測量。這就需要在實驗前必須對其結構上的力進行估算,找到模型的關鍵區域,如果估算的不準確,則實驗結果的有效性將大打折扣。而CFD分析計算,則不需要進行事先的估算,計算模型中任何一點的數據都可以獲得,大大提高了研究分析的分別率,為最終設計優化提供更有效的數據支持。

        CFD網格加密區域


        • 快捷性

        傳統的實驗研究需要模型制作、設備調試、多工況試驗比較等一系列工作,需要相當一段長的時間來進行計劃、準備和運行,而且非常昂貴,而CFD計算分析則要相對便捷的多。

        在CFD分析計算過程中,先實測海域水文數據,通過數值變換得到計算海區波譜,編寫FLUENT用戶子程序作為CFD模擬的邊界條件。將實驗室中測量的實驗模型的運動規律,作為CFD模擬使用動態網格計算的運動描述。運用多相流(VOF)模型來計算水和空氣之間的界面跟蹤,使用二維模型進行網格細化研究,以選擇合適的波傳播網格細化算法。最終,可將仿真結果與實驗結果進行比較,對計算模型的準確性進行驗證。

        不同視角模擬結果


        計算與實驗結果對比


        • 完整性

        模擬結果提供了大量的物理實驗無法測量的信息。例如,模擬甲板結構和船體每一點上的載荷。此外,模擬提供了足夠的測量數據來確定波流相互作用下對船體影響的物理機制。


        其他FPSO相關水動力學研究內容

        • 深水FPSO與系泊、立管系統的耦合水動力分析

        系泊FPSO系統在風浪流作用下的水動力性能數值分析是熱點問題,自FPSO誕生之日起,即有大量學者投入研究。CFD可以計算在波流聯合作用下的FPSO與系泊、立管系統的耦合水動力特性。

        • FPSO與穿梭油輪組成的多浮體系統水動力分析

        FPSO與串靠或旁靠穿梭油輪通過柔性系泊連接組成了多浮體系統,其水動力相互作用的研究分析對于設計柔性系泊系統、防止發生碰撞事故等都非常重要,因而正受到越來越多的關注。應用三維CFD技術可以模擬FPSO與穿梭油輪的屏蔽流場,分析流遮蔽效應的經驗模型,計算FPSO與穿梭油輪組成的多浮體系統水動力特性。

        • 橫搖運動及其減搖措施

        同普通船舶一樣,橫搖運動及其減搖措施的研究也是FPSO的研究課題之一。即使單點系泊FPSO具有良好的風標效應,影響油氣生產、卸油、直升機起降、補給船靠泊等作業的嚴重橫搖運動也不可避免。而且,由于非線性粘性阻尼的存在使得橫搖運動的準確預測非常困難。

        • 單點系泊FPSO的水平面運動穩定性

        CFD可以考慮吃水、轉塔縱向位置、風速、流速、波譜和入射角等多種相關參數的作用下,對單點系泊FPSO的動態穩定性進行研究分析。


        FLUENT計算船舶水動力學的優勢

        • FLUENT具有豐富的湍流模型

        FLENT軟件中在工程上常用的渦粘湍流模式有六種,它們分別是:一方程的S-A模型,二方程的標準k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、標準的k-ω模型和SST k-ω模型。

        由于船舶繞流中存在大曲率彎曲壁面流動,船尾部流場復雜,因此湍流模式的選取對計算結果的精度有很大影響,通過對上述六種湍流模式進行了對比研究,結果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比較適合于船舶粘性流場的數值模擬。

        • FLUENT具有強大多相流技術

        FLUENT標準模塊中還包括許多的多相流模型,其中VOF模型(Volume of Fluid)可以用于對界面的預測比較感興趣的自由表面流動,如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蝕模型已被證實可以很好的應用到水翼艇、船用螺旋槳的空化模擬。

        • FLUENT具有強大的動網格技術

        FLUENT軟件的六自由度動網格技術主要用于計算運動壁面邊界問題,即計算邊界發生位移形變的問題,邊界的形變過程可以是已知的,也可以是取決于內部流場變化的。在計算前首先要給定體網格的初始定義,在邊界發生形變后,其內部網格的重新劃分是在FLUENT內部自動完成的,而邊界的形變過程即可以用邊界函數來定義,也可以用UDF函數來定義。

        該技術常用于船舶在非均勻來流如波浪作用下的6自由度運動(含有船舶晃蕩),船舶在水面或水下的回轉運動等。

        • FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數化技術

        該技術可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋槳槳葉、軸套等構件的流固耦合分析,目前已經有相當多的船舶客戶開始對船舶的球鼻艏及槳葉進行雙向耦合仿真分析。

        另外,FLUENT被集成在Workbench平臺下后,能方便地對模型、網格尺寸、邊界條件等進行參數化分析,能大大提高船舶在初步設計過程中會涉及到的大量系列設計、相似設計的工作效率,即客戶只需要計算一種工況,模型或邊界條件修改后的工況,軟件會自動求解并輸出多工況的仿真計算結果。

        除了參數化功能外,FLUENT軟件還可以結合Workbench平臺下DX優化模塊,能方便地實現優化分析,即優化船舶來流速度或者攻角,尋找船舶受到的最小阻力。

        • FLUENT具有強大的后處理技術

        ANSYS的CFDPOST后處理模塊,具有強大的3D渲染效果;能方便地對模型進行著色、透明、網格顯示等處理;能同時顯示云圖、矢量圖、流線圖等功能;能方便地做出各變量隨時間、空間位置變化的動畫;能對多工況進行同步后處理(軟件還能自動尋找兩種工況的差異),也可以只需要處理一種計算結果,其它的相似工況都可以共享之前的后處理設置,大大提高后處理效率;能自動輸出仿真計算報告:含有網格信息、邊界條件信息、后處理圖片及數據處理等信息。