吸力錨吊裝入水動(dòng)力學(xué)分析

吸力錨吊裝入水動(dòng)力學(xué)分析

0結(jié)構(gòu)物的篩選霍尼韋爾的吸力支護(hù)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于海上結(jié)構(gòu)的固定、海上電機(jī)的支撐和鋼鏈的在線安裝。這是海上石油生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。利用起重安裝船垂直吊放的安裝方法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛吸力錨入水時(shí)大量空氣僅由通風(fēng)孔排出,除控制速度外,開(kāi)孔率不足將引發(fā)較大的浮力進(jìn)而發(fā)生突變載荷或引發(fā)吸力錨的傾斜本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Star-CCM+2020.1,基于雷諾時(shí)間平均navier-stokes(Reynoldsaveragednavier-stokes,RANS)方程,對(duì)由四個(gè)吸力錨構(gòu)成的結(jié)構(gòu)物在可壓縮和不可壓縮空氣環(huán)境中的飛濺區(qū)吊裝作業(yè)進(jìn)行研究。在評(píng)估結(jié)構(gòu)物總體載荷的同時(shí),進(jìn)一步對(duì)可壓縮和不可壓縮空氣在吸力錨內(nèi)的壓力進(jìn)行分析,為將來(lái)吸力錨結(jié)構(gòu)的載荷評(píng)估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。1數(shù)值方法1.1ffluid模型本文的吊裝模擬基于RANS方程,利用有限體積法和k-ω湍流模型求解和封閉RANS方程并使用一階隱式求解模式。在時(shí)間t內(nèi)對(duì)于密度和平均流速分別為ρ和v式中:采用流體體積函數(shù)法(thevolumeoffluid,VOF)求解多相流,VOF的實(shí)現(xiàn)屬于預(yù)測(cè)非混合相界面分布和運(yùn)動(dòng)界面捕捉的方法。相的分布和界面的位置由相體積分?jǐn)?shù)α其中:α本文分別對(duì)可壓縮空氣和不可壓縮空氣進(jìn)行建模,設(shè)定如下:(1)不可壓縮空氣,密度恒定,不使用能量模型。(2)可壓縮空氣,等溫模型,理想氣體,初始溫度為15℃,比熱比k=1。(3)可壓縮空氣,絕熱模型,初始溫度為15℃,比熱比k=1.4。對(duì)于條件(3),雙原子氣體,如空氣,在絕熱條件時(shí)比熱比為1.4密度隨壓強(qiáng)的導(dǎo)數(shù)為本文還做出如下假設(shè):研究中分別設(shè)置水和空氣的特性,對(duì)水進(jìn)行建模時(shí)應(yīng)用定常密度,從而保證水是不可壓縮的;假設(shè)結(jié)構(gòu)物為剛體且不考慮水彈性效應(yīng)。1.2鋼架結(jié)構(gòu)模型考慮纜繩張力、網(wǎng)格精細(xì)度以及計(jì)算量,設(shè)定模型與實(shí)物間的比例尺為0.5。結(jié)構(gòu)物模型主要由4個(gè)吸力錨和鋼管焊接形成的鋼架構(gòu)成,模型高H為6.65m,寬B為13.9m,空氣中質(zhì)量為25t;吸力錨直徑為3m,高2.75m,錨壁厚0.01m,設(shè)有兩個(gè)通風(fēng)孔,直徑分別為0.305m和0.51m。重心距結(jié)構(gòu)物底端3.281m。選取起重機(jī)實(shí)際釋放速度為0.1m/s,模型的釋放速度為0.07m/s1.3垂向接觸網(wǎng)域垂向尺寸研究結(jié)構(gòu)物的入水問(wèn)題首先應(yīng)建立外流場(chǎng)的計(jì)算域。本研究中沒(méi)有遠(yuǎn)方來(lái)流和波浪,但結(jié)構(gòu)物入水時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射波,計(jì)算域的邊界依然不允許將其反射;計(jì)算域垂向尺度應(yīng)適合結(jié)構(gòu)物在垂向的運(yùn)動(dòng)幅度;應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格描述結(jié)構(gòu)物的大幅度運(yùn)動(dòng)。網(wǎng)格在三個(gè)方向上的長(zhǎng)度相同,為保證計(jì)算域沒(méi)有過(guò)小的網(wǎng)格和半網(wǎng)格,計(jì)算域的尺寸均根據(jù)B定義。外流場(chǎng)計(jì)算域?qū)?B,高5B式中:f由初始化激活的動(dòng)網(wǎng)格過(guò)度區(qū)域和自由液面的自適應(yīng)網(wǎng)格(adaptivemeshrefinement,AMR)如圖3(b)所示,網(wǎng)格基準(zhǔn)值0.2m,最小值0.0125m,兩層邊界層網(wǎng)格總厚度為0.07m,變化率為1.5,y2纜繩的質(zhì)量改進(jìn)根據(jù)DNVGL規(guī)范其中,一個(gè)吸力錨的水平投影面積A式中:V其中,h為吸力錨的高度,與錨頂?shù)让娣e的圓形平板的法向附加質(zhì)量A其中,流速v所以纜繩的拉力T其中,M為結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量;g為重力加速度。計(jì)算結(jié)果如下:T3計(jì)算與分析3.1纜繩拉力與吸力本文利用線性彈簧模擬吊繩,進(jìn)行吸力錨的飛濺區(qū)單吊作業(yè)仿真,參考DNVGL規(guī)范式中:F結(jié)構(gòu)物在下放時(shí),不可壓縮氣體(DAF在錨頂沒(méi)入水中后,結(jié)構(gòu)物加速下落,而且由于速度的突變,纜繩產(chǎn)生突變載荷,并影響后續(xù)下落過(guò)程的速度。根據(jù)DNVGL規(guī)范由于錨頂入水后,結(jié)構(gòu)物的拖曳力隨投影面積顯著增加,而且管架的形狀較吸力錨復(fù)雜,所以DAF大幅小于第一階段的幅值并繼續(xù)近似線性減小;最后,當(dāng)管架頂端入水時(shí),產(chǎn)生速度和載荷的突變,DAF在管架頂端入水后恒定。三種氣體條件下的DAF曲線吻合得較好,三者的突變載荷和穩(wěn)定的拉力相差小于1%,所以氣體的可壓縮條件對(duì)于開(kāi)孔率為3.9%的吸力錨吊裝作業(yè)纜繩拉力影響較小。在錨頂觸水前,可壓縮性氣體下的速度振蕩幅值大于不可壓縮條件,在理想氣體條件下的速度振幅最大,最大振幅為0.008m/s;理想氣體和自定義氣體條件下的速度與不可壓縮條件下的速度最大相對(duì)誤差分別為6.4%和10%,最大速度v如圖5所示,三種空氣模型條件下吸力錨浸沒(méi)并產(chǎn)生拉力突變的時(shí)刻相差小于1%,全部結(jié)構(gòu)物入水耗時(shí)的相對(duì)差值也小于1%。其中自定義氣體條件下吸力錨入水耗時(shí)最長(zhǎng),時(shí)長(zhǎng)為45.03s;理想氣體條件下全部結(jié)構(gòu)物入水耗時(shí)最長(zhǎng),時(shí)長(zhǎng)為103.33s。當(dāng)發(fā)生突變載荷時(shí),吸力錨已經(jīng)全部浸入水中并有大量的水從通氣孔中射出;發(fā)生突變載荷時(shí)仍有部分空氣從小尺寸的通氣口溢出,少部分殘留在錨頂下形成空腔,在大尺寸通氣孔周?chē)目諝鈱⒈焕в谖﹀^內(nèi)。3.2入水初期錨內(nèi)合理設(shè)計(jì)如圖7所示,為吸力錨頂部下表面圓心處的相對(duì)大氣壓的相對(duì)壓強(qiáng)時(shí)歷。隨著結(jié)構(gòu)物的吃水增加,吸力錨內(nèi)部的相對(duì)壓強(qiáng)逐漸非線性增加。在開(kāi)孔率為3.9%時(shí),由于吸力錨內(nèi)外的液面高度差小,吊裝速度緩慢,吸力錨內(nèi)部的空氣壓縮不明顯,不同氣體條件對(duì)吸力錨內(nèi)壓強(qiáng)的影響較小。在吸力錨穿過(guò)飛濺區(qū)的初期,內(nèi)部相對(duì)壓強(qiáng)較小但存在較大振蕩,幅值最大超過(guò)10Pa。如圖8所示,由于初期的垂向速度不穩(wěn)定且液面存在擾動(dòng),相對(duì)壓強(qiáng)出現(xiàn)負(fù)值。與其他氣體條件相比,理想氣體條件下的正壓較大負(fù)壓較小。不同吸力錨內(nèi)的壓強(qiáng)對(duì)比如圖7(c)和圖7(d)所示,在入水初期,4個(gè)吸力錨之間的差異較小,在錨頂接近水面時(shí)壓強(qiáng)的差異增加,3號(hào)吸力錨的壓強(qiáng)最大,4號(hào)吸力錨的壓強(qiáng)最小,吸力錨之間的壓強(qiáng)差值在錨頂觸水時(shí)最大為85.685Pa,為該時(shí)刻4號(hào)吸力錨內(nèi)壓強(qiáng)的15%。由于垂向速度較小且存在空氣的緩沖作用,錨頂觸水時(shí)壓強(qiáng)沒(méi)有明顯的突變峰值,說(shuō)明在最大投影面積的位置,由水與結(jié)構(gòu)物的突然接觸而產(chǎn)生的砰擊載荷較小。如圖9所示,入水初期氣體可壓縮與不可壓縮條件的壓力分布差別較小,吸力錨內(nèi)部的壓強(qiáng)分布從上到下逐漸增加,且高壓區(qū)域的分布梯度比外界大;當(dāng)錨頂觸水時(shí),在可壓縮氣體條件下,有更多的空氣留在通氣孔附近。4吸力錨內(nèi)位移分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)帶有四個(gè)吸力錨的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行飛濺區(qū)單吊作業(yè)時(shí)纜繩拉力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和吸力錨內(nèi)部壓強(qiáng)進(jìn)行分析,分別研究空氣為不可壓縮條件、理想氣體條件和比熱比為1.4的自定義氣體條件對(duì)吊裝作業(yè)的影響。結(jié)果表明當(dāng)以全局力為研究重點(diǎn),在較低速的不會(huì)產(chǎn)生纜繩松弛的吊裝作業(yè)中,為簡(jiǎn)化計(jì)算可視空氣為不可壓縮氣體,但此時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)是保守的;在靜水可壓縮空氣條件下,不同吸力錨由于相對(duì)液面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同,造成水動(dòng)力以及內(nèi)部壓強(qiáng)的差別較小,所以可進(jìn)行對(duì)稱簡(jiǎn)化。比熱比的變化對(duì)橫向和縱向位移影響較小,但在吸力錨入水初期,比熱比增加時(shí),位移的振蕩周期增加峰值減小,吸力錨完全入水后較大比熱比時(shí)的首搖角明顯減小,大比熱比時(shí)吸力錨頂部下方的相對(duì)壓強(qiáng)較小。本文針對(duì)帶有吸力錨的結(jié)構(gòu)物,計(jì)算所獲得的載荷結(jié)果、運(yùn)動(dòng)和壓強(qiáng)的變化規(guī)律,可以為將來(lái)吸力錨的設(shè)計(jì)與安裝提供指導(dǎo)。圖6表示結(jié)構(gòu)物的縱向(x)和橫向(y)的位移以及傾角,錨頂入水前結(jié)構(gòu)物的位移、縱傾角(θ)和橫傾角(?)發(fā)生對(duì)稱的振蕩,而且振幅和周期隨時(shí)間增加;當(dāng)氣體為可壓縮時(shí)振蕩的峰值出現(xiàn)滯后,自定義的氣體條件下的縱向位移呈現(xiàn)非對(duì)稱變化且振幅較小;錨頂入水后,由于開(kāi)孔的非對(duì)稱分布以及由鋼架產(chǎn)生的升力的作用,兩個(gè)方向的位移、縱傾角和橫傾角出現(xiàn)非對(duì)稱變化且出現(xiàn)最大值;理想氣體條件