懸置海洋中部構筑物選型數值模擬研究

蔣濟同， 韋起賢， 周獻祥， 牛云龍， 曠 俊

(1. 中國海洋大學工程學院， 山東 青島 266100； 2. 中國人民解放軍 軍事科學院國防工程研究院， 北京 100036)

世界經濟在二十一世紀得到巨大飛躍，全球各個領域對于資源也出現了更高的需求。在市場需求和先進技術的聯合推動下，中國深海裝備和技術都取得了長足的發展。其中，深海載人/無人潛水器以及深?？臻g站都已被研制出，并在該研究方向取得許多成就，其提供的便捷功能也適用于不同領域的科學研究方面。通過無人系統能夠對海底進行安全的研究和觀察，并加以分析[1]。

作為自航式潛器的有益補充，本文提出一種新型的懸置海洋中部構筑物的技術設想。初步設定其主要功能是在固定地點為深?；顒犹峁┭a給，為深潛器提供燃料和裝備，為深?？碧?、采集、觀測和資源開發等活動提供非移動式的技術支持。

與深潛器和深?？臻g站相比，該構筑物長期懸浮在水下，用系泊纜將其固定在一定水深的位置，不具備自主航行能力。其成功的研發，能夠快速提升中國對海洋資源開發的迫切需求。在深海礦物研究、油氣田開發、深海生物學研究、構建完善海洋觀察網絡方面，都起到了巨大的作用。

1 環境參數及設計條件

本研究初步選取200 m水深為構筑物的懸浮水深，根據理論和軟件模擬，當構筑物處于200 m水深時，波浪對其造成的影響可以忽略，故主要考慮洋流對構筑物可能造成的影響。構筑物示意圖如圖1所示。

圖1 懸置海洋中部構筑物Fig.1 Suspended mid-ocean structures

構筑物工作海域設定為中國近海，根據全球大洋變網格環流模式模擬的中國近海環流結果表明[3]，南海等密面次表層環流鹽度在25.0 kg·m-3時，與之對應的海水深度在150～220 m之間，最大流速在1～2 m·s-1之間。蘇紀蘭等[4]研究的中國近海的環流機制、李峣等[5]研究的中國東部近海環流特征等其他研究中國近海環流的研究成果均顯示，中國近海200 m水深時最大流速不會超過2 m·s-1。因此按最不利荷載的角度出發，本文以2 m·s-1的流速為基礎，研究不同形狀構筑物的受力和位移。因200 m水深的鉛直流速較小，一般為10-5cm·s-1[3]，因此只考慮水平流速。

從流體受力和功能的角度出發，構筑物的形狀初步選為球形、圓柱-半球形和碟形，如圖2所示?？紤]結構尺寸的影響，體積選定為200和1 000 m3兩個量級的尺寸，具體詳見表1。通過對比不同形狀不同尺寸的構筑物分析結果，從而得出較為合理的結構形態和尺寸。

(a.球形Ball; b.圓柱-半球形Cylindrical-hemispherical; c.碟形-平放 Disc-flat; d.碟形-立放 Disc-vertical)圖2 懸置海洋中部構筑物形狀Fig.2 Shape of suspended structures in the middle of the ocean

表1 3種模型尺寸Table 1 Dimensions of three types of models

由雷諾數與漩渦脫落的關系可知，當雷諾數大于3.5×106時，流場中會產生周期性的紊流漩渦[6]。而本文研究構筑物尺寸較大，雷諾數量級在108～1010遠大于3.5×106，故在流速作用下產生渦激運動。

2 數值模擬計算方法

基于上述環境參數及設計條件，構筑物主要受到海流和靜水壓力的共同作用，本文的有限元分析采用雙向流固耦合的方法，在Workbench平臺中，采用流體和瞬態結構雙向組合的方法，中間數據交換平臺采用系統耦合模塊。

2.1 流場控制方程

水流流體是屬于不可壓縮流體[6]，在水流作用的影響下，懸置海洋中部構筑物形成了非定常有黏性不可壓三維湍流問題的運動形式。

本次研究選擇了雷諾平均N-S方程，同時選擇K-Epision湍流模型進行模擬。針對畸變巨大的流動處理方面，通過RNG K-Epision模型能夠令處理更加合理。在計算表達式的生成系數時引入了主流隨時間變化的平均應變率[7]。這個過程獲取的系數，和實際流動是相關聯的，同時也能顯示出空間坐標函數來。

基于雷諾平均的N-S方程為：

(1)

(2)

RNG K-Epision 湍流模型的k和ε方程如下：

(3)

(4)

式中：ρ、p分別代表了流體密度，流體壓強；x、u、f分別代表坐標分量、速度分量、慣性力分量；μ是分子黏性系數；μi是湍流黏性系數。

μeff為等效黏性系數：

μeff=μ+μi；

(5)

(6)

式中Gk表示因為浮力而出現的湍流動能。如果流體不可壓縮，則可忽略[8]；YM表示可壓縮紊流的膨脹條件，如果無法壓縮，則可以將其忽略。

2.2 構筑物振動控制方程

構筑物的結構動力學方程為：

(7)

2.3 雙向流固耦合求解過程

當一個物理場分析的輸入過渡對其他分析結果產生依賴后，相關分析內容存在耦合性。構筑物上的壓力取值范圍，則是因為流體計算的結果說決定。而且，流體壓力一旦發生了相關作用，構筑物發生位移、振動，也會對流體域產生影響，即雙向耦合。本文選取3 cm厚的鋼板作為構筑物表面殼體材料，并且內部設有高強度鋼材支撐，由模擬結果可知構筑物自身的最大變形為0.7×10-2m，對于選型研究主要考慮其位移變化，因此本文不再提及構筑物本身的變形影響。

圖3 求解流程Fig.3 Solving process

2.4 分析方法驗證

在分析構筑物之前，對文獻[10]中大直徑Spar平臺的計算模型采用雙向流固耦合方式進行了模擬，該模型體積較大，在流體作用下產生渦激運動，且固定方式同為系泊纜，因此對該平臺進行分析可以驗證所采用的網格、時間步、湍流模型和數值模擬方法是否能夠準確模擬流場。具體簡化模型及模擬結果如圖4、5所示。

圖4 Spar平臺模型Fig.4 Model of Spar platform

圖5 1 m·s-1時平臺順流向位移模擬結果對比Fig.5 Comparison of simulation results of platform downflow displacement at 1 m·s-1

本文模擬采用fluent計算流場，與文獻[10]所用軟件不同，但從模擬結果可以看出，本次模擬最終的驗算結果同理論文獻提供的結果近似，誤差度在10%以內，說明兩者的吻合度較高。

3 三維流固耦合模擬

3.1 分析模型建立

Solid Works作為專業的3D造型應用，其設計的結構模型，能夠無差別的導入ANSYS workbench 平臺之內，通過 Enclosure 命令建立長方體外流場計算域，并在構筑物下端預留固定支撐點。流場左側為入口、右側為出，除出口距構筑物表面距離為100 m外，其余各邊界距構筑物表面皆為20 m。其中，碟形構筑物分2種姿態放置，一種是平放，一種是立放，其固定支撐點也隨著姿態的不同設置在構筑物距離水面最遠處，如圖6所示。

圖6 分析模型Fig.6 Analysis model

3.2 網格劃分

ANSYS workbench 自帶的結構化網格劃分可以作為本次研究中對流體域網格進行劃分的方式，能夠更好的重構動網格?？拷鼧嬛锉砻娴木W格最小尺寸為0.2 m，外部最大尺寸為2 m，網格自動變化率為1.2%(見圖7)。

圖7 流域網格劃分Fig.7 Watershed grid division

3.3 邊界條件

將入口邊界條件調整至“速度入口”，其中的流速類目設定成2 m·s-1，出口為壓力出口，壓力為0，其余流體域表面設置為無滑移固壁。

3.4 動網格設置

動網格設定可以通過 fluent 的 Dynamic Mesh加以完成。通過smoothing以及remeshing兩者同時使用，已完成對動網格的重構。本次命題中，可以將構筑物表面設定為流固耦合面，同時可以把構筑物表面調整成動網格區域，剩下的所有面，都能夠調整成為固定面，這能夠對構筑物是否存在變形等問題進行研究。

4 模擬結果分析

4.1 加速度結果分析

4.1.1 200 m3構筑物加速度結果分析 200 m34種形狀的構筑物加速度結果如圖8所示，可以明顯看出圓柱-半球形構筑物的加速度變化幅度較大，最大值接近0.01重力加速度，而其余3種形狀的位移加速度在初遇流體時較大，之后的初速度趨于穩定均小于0.005 m/s2，小于1‰重力加速度，根據表2給出的船舶加速度對人體舒適度的影響可知，人體難以感覺到。

圖8 4種200 m3鋼材構筑物加速度Fig.8 Acceleration of 4 types of 200 m3 steel structures

表2 船舶加速度對人體舒適度的影響[11-12] Table 2 Influence of ship acceleration on human comfort

為進一步比較不同構筑物的加速度，如圖9所示為除圓柱-半球形以外另外3種構筑物的加速度對比。由前200 s的加速度可以看出球形構筑物的加速度最快趨向于穩定，在40 s時加速度已接近零，小于另外兩種構筑物的加速度，隨著海流作用時間的延長，加速度沒有發生明顯變化，始終接近零。碟形構筑物的加速度始終處于波動狀態，沒有達到穩定，碟形平放的加速度峰值大于立放，在初遇流體時平放的加速度峰值超過0.03 m/s2，在后續的時間里加速度峰值極少超過0.002 m/s2，多數時刻在0.002 m/s2以下。碟形立放的加速度在初遇流體的時刻達到了0.02 m/s2，之后加速度迅速下降，在60 s時降到0.005 m/s2，200 s之后加速度始終小于0.002 m/s2。

圖9 3種200 m3鋼材構筑物加速度Fig.9 Acceleration of 3 types of 200 m3 steel structures

綜上，從加速度的對比結果可以看出：200 m3的鋼材構筑物，除圓柱半球形構筑物外，其余3種加速度值在達到穩態后均小于5‰重力加速度，人體難以感覺，比較適合作為構筑物的形狀。

4.1.2 1 000 m3構筑物加速度結果分析 如圖10所示為1 000 m34種鋼材構筑物0～600 s加速度數據，可以看出在初遇流體時碟形構筑物位移較大，接近0.18 m/s2，超過1%重力加速度。但本章模擬初始流速為2 m/s，在實際工作中流速會有從0～2 m/s的漸變過程，因此，對于本章模擬結果重點分析構筑物達到穩態后的變化。

圖10 4種1 000 m3鋼材構筑物加速度Fig.10 Acceleration of four types of steel structures of 1 000 m3

由圖10可以看出，在50 s后碟形立放加速度首先達到相對穩定狀態，其波動幅度遠小于其他3種形狀的構筑物。圓柱半球形構筑物加速度數據依然較大，在300 s時其加速度值降到與球形和碟形構筑物平放相當的水平，加速度值下降速度明顯小于碟形和球形構筑物，其加速度曲線在300～600 s的時間里出現多次波峰，加速度值大于球形和碟形構筑物。球形構筑物加速度曲線變化趨勢與圓柱半球形構筑物類似，但加速度值小于圓柱半球形構筑物，與碟形構筑物平放數值相近。碟形平放加速度有明顯的周期變化特征，但幅度較小，加速度值也小于圓柱半球形構筑物加速度。

為得到碟形構筑物立放時的具體加速度，并將其與平放加速度比較，本文作者將2種姿態的構筑物模擬時間延長，如圖11所示為碟形構筑物500～1 600 s加速度數據?？梢钥闯?，碟形平放的加速度大于碟形立放的加速度，但都小于5‰重力加速度，碟形立放加速度最大值更是小于1‰重力加速度。

圖11 1 000 m3碟形鋼材構筑物加速度Fig.11 Acceleration of 1 000 m3 disk-shaped steel structure

綜上，1 000 m3鋼材4種形狀構筑物中，圓柱半球形構筑物加速度值最大，相比之下，球形和碟形構筑物更適合作為構筑物的形狀。

4.2 位移結果分析

4.2.1 200 m3構筑物位移結果分析 構筑物的位移圖以及位移時程曲線如圖12～14所示。所有位移圖中水流方向均為從左到右，位移值為構筑物所走路徑的長度。

圖12 200 m3構筑物位移圖Fig.12 Displacement diagram of 200 m3 structure

圖13 200 m3構筑物最大位移時程曲線Fig.13 Time history curve of maximum displacement of 200 m3 structure

圖14 200 m3碟形構筑物最大位移時程曲線Fig.14 Time history curve of maximum displacement of 200 m3 disc-shaped structure

由位移圖可以看出，各種姿態的構筑物在水流作用下都發生了不同方式的運動。球形和圓柱半球形構筑物沿流速方向發生了偏移，碟形構筑物立放和平放時，都會圍繞著支撐點發生了來回擺動。

由位移時程曲線可以看出，圓柱-半球形構筑物位移最劇烈，具有周期波動的特征，最大波動幅度已接近20 m，沿水流方向產生的最大頂端位移超過20 m，不適合作為構筑物的形狀。球形構筑物以5.4×10-3m·s-1的速度發生著偏移，隨著時間的延長位移在增大，在500 s時已超過2 m，接近5 m，位移幅值較大。碟形構筑物平放位移最小，最大位移值不足0.2 m，且位移曲線最為平穩。碟形構筑物立放時過程中也有明顯的波峰，但到達穩態后變化范圍都在0.5 m以內，相對球形和圓柱-半球形構筑物受漩渦脫落影響較小。

因此，從位移角度出發，當構筑物體積是200 m3時，碟形-平放應是最合適的構筑物放置姿態，雖然碟形-平放也會在小范圍內產生位移波動，但其波動范圍最小，不足0.1 m，位移最為平穩，適合作為構筑物的姿態。

4.2.2 1 000 m3構筑物位移結果分析 如圖15所示，當體積為1 000 m3時，球形和圓柱-半球形的構筑物在流速作用下圍繞著支撐點發生大幅度的位移，最大位移出現在頂部。而碟形構筑物，無論平放還是立放，運動較緩，圍繞著支撐點來回的擺動。

圖15 1 000 m3構筑物位移Fig.15 Displacement of 1 000 m3 structure

由圖16可以看出，4種構筑物位移差異明顯，其中圓柱-半球形構筑物位移最大且最為劇烈，最大位移超過30 m；球形構筑物也產生了較大的位移，位移曲線波動較大，最大值接近20 m，受到漩渦的影響程度明顯大于碟形。相比之下，碟形位移則較為平緩，2種姿態下位移幅值均在2 m以內，且波動方式即受漩渦影響程度類似。

圖16 1 000 m3構筑物最大位移時程曲線Fig.16 Time history curve of maximum displacement of 1 000 m3 structure

為進一步區分兩者的區別，增加模擬時間，如圖17所示為最大位移時程曲線，可以看出兩者最終都有一個相對穩定的狀態。碟形-平放在6 500 s后接近穩定，位移幅值大部分在0.7～0.8 m之間，變化幅度在0.1 m范圍內。碟形-立放在6 000 s后位移相對穩定，位移幅值在0.6～1.0 m范圍內變化，變化幅度在0.4 m范圍內，不如平放穩定。

圖17 1 000 m3碟形構筑物最大位移時程曲線Fig.17 Time history curve of maximum displacement of 1 000 m3 disc-shaped structure

綜上，碟形構筑物更容易滿足構筑物在流體環境中對位移的要求，當體積達到1 000 m3時，在流速作用下前期2種姿態的位移基本相同，作用時間達到一定值后，碟形構筑物平放比立放更適合作為構筑物的放置姿態。

5 結論

本文對3種形狀不同體積的懸置海洋中部構筑物進行了有限元模擬。分析了200 m水深2 m·s-1海流作用下，不同體積的球形、圓柱-半球形、碟形-平放和立放的構筑物產生的加速度和位移變化，并根據結果對碟形構筑物做了進一步的模擬和受力分析，得到如下的結論：

(1)當構筑物體積為200 m3時，在200 m水深的靜水壓力和2 m·s-1的流速作用下，圓柱-半球形構筑物加速度明顯大于其余3種構筑物的加速度，且加速度值超過5‰重力加速度，部分時刻超過5%重力加速度，人體明顯感到不適，不宜作為構筑物形狀。其余3種構筑物在穩態時，加速度均小于5‰重力加速度，人體難以感知，比較適合作為構筑物的形狀。

(2)當構筑物體積為1 000 m3時，4種形狀的加速度均小于5‰重力加速度，滿足人體無感的標準，但圓柱-半球形構筑物加速度波動最大，且加速度值明顯高于其他3種構筑物。故根據加速度數據可以得出球形和碟形更適合作為構筑物的形狀。且當構筑物體積由200 m3增加到1 000 m3時，可以明顯看出加速度值有明顯的減小，即隨著體積的增大構筑物受到流體作用的影響會降低。

(3)當構筑物的體積為200 m3時，圓柱-半球形構筑物位移變化最復雜，變化幅度最大，有明顯的周期，受漩渦脫落影響明顯，位移最大值超過10 m。球形構筑物位移幅度次之，且隨時間的延長位移持續增長，相對而言，碟形構筑物位移最小，兩種姿態下的位移均在1 m以內，故碟形構筑物更適合作為構筑物的形狀。

(4)當構筑物的體積為1 000 m3時，相對于200 m3而言，圓柱-半球形構筑物位移變化幅值更大，受漩渦影響更劇烈，周期變化不如200 m3那么明顯。球形構筑物位移也有明顯增大，最大位移超過10 m，但碟形構筑物位移沒有明顯增大且位移曲線相對平穩，最大位移仍然在1 m以內，故在1 072 m3時，碟形依然是較為合適的形狀。

綜上，碟形在所研究的4種形狀中更適合流體受力，加速度值較小，位移狀態最穩定，適合作為構筑物的形狀。其中在碟形構筑物中平放相對立放波動幅度更小，狀態更穩定。隨著體積的增大碟形構筑物加速度值減小，但最大位移的變化幅度會增大。同時，隨著體積的增大不同形狀的構筑物產生的渦激運動幅度也隨之變化，針對流速對不同形狀尺寸的構筑物造成的渦激運動影響可根據具體使用情況進行進一步參數化研究，以確定不同工況下合適的構筑物形狀。