深海垂向流速剖面数值模拟 (1).docx

1、第26卷第4期2008年11月海洋工程THEOCEANENGINEERING文章编号：1005-9865(2008)04-0001-07深海垂向流速剖面数值模拟毛丞弘，杨建民，彭涛(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200030)摘要:运用CFD软件对深海各种不同的垂向流速剖面进行数值模拟，分析研究试验区域内水流在空间上的流速分布情况以及湍流强度的变化,并与目标流速进行了比较。结合模型试验，表明数值模拟的结果是可彝的,造流系统能够较为准确地模拟出不同垂向流速剖面的海流,满足深水试验池对深海海流的模拟要求。关键词:垂向流速剖面;试验区域;湍流强度;数值模拟中图分类号:P75文献标识玛：AN

2、umericalsimulationofverticalcurrentprofilesMAOCheng-hong,YANGJian-min,PENGTao(TheStateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniveraity,Shanghai200030,China)Abstract:DifferentdeepwaterverticalcurrentprofilesaresimulatedbyusingCFDsoftware.Andsomeanalyseshavebeenmade,suchasthedimensionalflowu

3、nilbrmitiesandturbulencelevels.Thevelocityofflowisalsocomparedtothetargetone.Comparedwithmodeltestresults,itisshownthattheresultsofthesimulationarereliable,andthecurrentgenerationsystemisabletosimulatedifferentverticalcurrentprofiles,whichsatisfiesthesimulationrequirementofthedeepwatercurrentintheba

4、sin.Keywords：verticalcurrentprofile;measuringarea;turfxilenceintensity;numericalsimulation近年来，随着近海油气资源的日趋减少，油气资源开发走向深海，许多新研制的适用于深海作业的浮式生产处理装置不断涌现，例如浮式生产储油系统(FPSO)、单柱式平台(SPAR)、深水半潜式平台(Semi-submersionSpar)和张力腿平台(TLP)等。这些形式各异的深海浮式生产系统成本昂贵,其所处的海洋环境和地质条件恶劣，设计和建造技术复杂，风险极高，因此须对其在生存和作业条件等各种海洋环境条件下的水动力性能、结构响

5、应等特性进行深入的研究。通常在进行工程建设之前,各个公司都会进行模型试验，以检验其安全性到底是否足够"3】。而海洋深水试验池正是进行海洋深水工程试验研究不可或缺的配套基础研究设施，同时也是发展海洋高新技术重要的技术支撑平台。深海海流情况较为复杂，不同于浅海海流，其受表面海风和深海洋流等的综合作用，在不同深度具有不同的流速，会形成不同的垂向流速剖面。海流对深海平台的立管和系泊系统有较大的直接或间接的作用载荷，对系统的低频运动特性有一定的影响。并且，深海海流与波浪之间还存在着较强的相互作用，从而影响深海平台的慢漂力、波浪载荷以及平台气隙等性能。因此，开展海洋深水工程模型试验研究要求，深水

6、试验池应有能力模拟垂直方向上不同流速剖面的深海海流。上海交通大学设计、建造中的海洋深水试验池长50m、宽40m,水深可以在010m的范围内调节。水池中间还布置有一个直径5m、深40m的深井，可模拟4000m以上的实际水深,满足了国内外各种深水海洋开发装备模型试验的要求。造流系统在水深方向上，将海洋深水试验池分为相互独立的数层，通过调节各层收稿日期:2007-12-27基金项目：上海市科委重大基础研究课题资助项目(05DJ14001)作者简介:毛丞弘(1983-),男，上海人，硕士研究生，主要从事海洋工程方面研究。内的水流流量，控制其流速，以达到模拟不同垂向流速剖面的目的。同时，根据海洋工程深水

7、试验的要求，深水池内的水流应该达到均匀流动的状态，要求水流尽可能的平稳，包括流向稳定、紊流小、减少漩涡等扰动因素等1理论基础在流体为单相、均匀的假设前提下，不可压缩流体流动的基本控制方程为连续性方程和RANS方程:也-。火也)3P°习广=-云；+®+P式中为速度分量时均值(I,j=1,2,3);P为压力时均值;P为流体密度；”为流体运动粘性系数;gi为重力加速度分量；为Reynolds应力项。从形式上看,RANS方程是以时间平均量为未知数的，但Reynolds应力却是新的未知数，从而引出了所谓的封闭问题。为了使方程封闭，各种文献中提出了各式各样的湍流模式，企图把未知的Rey

8、nolds应力与流动的时均值联系起来。其中应用最为普遍的方法是Boussinesq仿照分子运动理论所提出的涡粘性假设饵：式中：代为涡粘性系数，A=为湍动能为Kroneckerdelta函数。Boussinesq假设主要应用于Spahrt-Allniaras模型、辰模型和k-cu模型等。其中，标准的k-e模型主要基于湍动能和湍动能耗散两个参数来描述湍流，被广泛应用到实际工程的计算中9J0o在此采用的湍流模式就是标准k-模型。2数值模型根据上述理论基础，对海洋深水试验池进行数值模拟，调节不同垂向分层的水流速度，以实现对不同垂向流速剖面分布的水流模拟。通过建立数值模型开展CFD计算,研究形成不同流速

9、的垂向速度剖面的控制方法,并对形成各种剖面时深水池试验区域内水流的流动和变化状况，包括流速的分布和湍流强度大小等开展研究工作。主要研究海洋深水试验池所能模拟出的不同垂向流速剖面，以及试验区域内水流的流动状况。因此，对深水试验池的建模从入口端隔层开始，到出口端为止,模拟了各层的进水口、水池在水流方向上的剖面和出水口的设置情况。水池的水流流入在水深方向上分为可独立控制的数层，如图1所示。坐标系的坐标原点位于海洋深水试验池入口端水面中点处，其正方向满足右手定则。坐标系的X轴为深水池的纵向长度方向，正方向为水流的流动方向，坐标系的Z轴为垂直向上方向，水池的宽度方向上则为V轴。3数值模拟结果及分析对于深

10、海海洋环境而言,在不同海域以及不同的环境条件下，会形成各种不同的流速剖面本文中所描述的不同流速的垂向剖面主要是指在水深方向上流速的大小按照一定规律分布，在水平方向上则为流速均匀的定常流动。相对于深水池水深方向上的其它各层而言，造流系统在靠近水面的第一层具有一定的特殊性，因为水面表层有可能在受到海风等的作用下产生较大的速度。例如,在飓风的影响下墨西哥湾的表层流速最高可至3.03.5m/s左右，在缩尺比为64的模型试验中，深水池的表层流速需达到0.4m/s左右。同时，表层流速又会对波浪产生一定的影响。因此，根据海洋深水模型试验的要求，在水池靠近水面处，应当能够产生水流速度较高的表面流，同时试验区域

11、内的流场仍能保持较好的均匀性和湍流度。本文的数值模拟是对深水试验池水深10m的范围内开展的，主要模拟了如下典型的流速剖面：1) 均匀垂向流速剖面:以设计流速为目标,调节其它层的流量使各层达到同样的流速，从而产生均匀的流速剖面，此时的流速为0.1mA左右；2) 表层高流速的垂向流速剖面:此时表层的流速约0.4m/s,随着深度的增加流速迅速减小，较深处的流速接近于0；3) 典型垂向流速剖面：由于真实状态下，深水流同时受到表层风浪以及深海洋流的影响，因而流速并不是单纯的均匀流或表层流，而是二者的某种组合。在典型的流速垂向剖面中，表层流速较大,随着水深的增加流速逐渐减小。3.1均匀垂向流速剖面的模拟在

12、均匀垂向流速剖面的模拟中，水流在深水池试验区域水深方向上应尽可能达到稳定、均匀的状态。所谓试验区域是指水池中央附近一定长度和宽度的矩形区域，该区域是深水池开展海洋深水模型试验的主要测试区域。.从图1的计算模型可以看到，各层之间的隔层并不是水平的，而是以一定的角度向上倾斜。当水流从进水廊道流入时，在隔层范围内也是以一定的角度向上流动。进入水池后，由于惯性作用，在开始的一段距离内，水流并不是马上变为水平流动,在垂向方向上仍有速度分量，不过其绝对值逐渐减小,进入水池大约5m之后,垂向速度分萩基本减小为零，水流变为稳定的水平流动，如图2(a)所示。到图2(b)中相同水深处水池中央位置时，水流已完全呈水

13、平流动，并且流速大小也基本一致，分布十分均匀。而在出口处，由于出口和入口的位置是一一对应的，表层的水流需要从第一层的出门流出，因此水流的流向会慢慢朝着出口位置偏转。如图2(c)所示，在靠近出口区域，水流的均匀性保持的还是比较好，但是流向如前所述已经有稍许的偏转,不再保持水平。I1.59颈l：43e011护I.lle-01泌59e-0151e-01-一43e-01-35c-0127e-0119e-01lle-0103e-0155e-0275e-02_95e-02=16e-02：36c-0257e-02=：77e-0298e-0218e-0239e-0259e-0296e-0354e-06(c)靠

14、近出口处图2流场的速度矢量图Fig.2.Velocityvectorsofthecurrentfield3：98c-'.55e-028.75e-O27.95e-7.16e-(b)水池中央图3是试验区域纵向上不同位置处所形成的均勾流速分布图。可以清楚地看到.在深水池靠近入流方向处，其垂向流速剖面尚未达到完全均匀分布的状态，靠近水面表层的区域流速较小。这是因为入流端的第一层廊道在水面表层下方的一定距离处，水流流动时由于黏性作用而带动表层的水流一起流动，因此表层流速并未达到平均值。但随着水流的流动，水流能量在试验区域中央已达到均匀扩散，从而较好的实现对均匀流速剖面的模拟。因此，深水池中央的试

15、验区域以及靠近去流方向的区域内，可以形成较为均匀的垂向流速剖面。从图中也可以发现，在水池中央，靠近底部的范围内流速也有所减小，只是变化程度没有表层区域大。其原因在于底部为假底,其表面不可能是完全光滑的，存在着一定的摩擦阻力，因此附近的水流流速也会有所下降。图4为计算所得到的深水试验池在纵向X轴方向上的湍流强度变化曲线。由图可知，由于初始流速较大，水流未达到稳定的状态，此时扰动较大,因此在深水池入流端的湍流强度还处在一个相对较高的水平。但随着水流的流动与扩散，流场的湍流强度会迅速减小。当水流到达试验区域肘，流场的湍流强度已减小到3%以下。并且随着水流流动，湍流强度还将继续减小,直至逐渐趋于一个稳

16、定值。由此可见,当深水池内流速较低时，试验区域内流场的湍流强度完全可以达到海洋深水模型试验4%以下的要求。0.0'波速/(ms。图3均匀流速时的垂向流速分布Fig.3Verticalflowuniformitiesaiuniformityspeed图4深水池纵向方向上的湍流强度分布Fig.4Turbulenceintensitiesinlongitudinaldirectionatuniformityspeed模拟均匀垂向流速剖面时,在水池的试验区域内，流速大小在横向方向上的分布是比较均匀的,符合试验的要求。而在垂向方向上，水流流速的分布相对偏差也是较小的，在允许范围

17、之内，能满足试验要求。相对于靠近入流端而言，水池中央和去流端则体现出更好的均匀性。再考虑到湍流强度在纵向方向上是随着水流的流动而逐渐减小，因此在条件许可的情况下，应将试验区域适当向去流端移动，或尽量在试验区域靠近去流方向的区域内进行深水模型试验。这样,深水池试验区域内所模拟的海流才更接近目标值，并且其湍流强度以及各个方向上的均匀性也较为理想。3.2表层高流速的垂向流速剖面模拟图5是表层高流速条件下，不同位置处垂向上所形成的流速剖面图。从图中可以直观地看出，表层高流速的垂向流速剖面中，表层的流速接近于0.4ni/s.并且在I.5m水深左右的范围内基本保持不变，流速保持较好。流速在水深1.56.0

18、m的范围内下降较快,而更深处的水因为完全是靠着敲性作用由上层的流动带动，因此速度接近于0。从图中亦可以发现，在深水池靠近来流方向的区域内，因为靠近进水口，水流并未得到很好的扩散，因此表层流速分布并不理想。但随着水流的流动，水流能量得到继续扩散，从而使得流速反化减小，在垂向方向上流速变化逐渐均匀，表层流速达到最大。因此，在试验区域中央以及去流方向区域对流的流动状况比较稳定，符合试验要求。图6为表层高流速时深水池纵向X轴方向上的湍流强度值。从图中可看出，在深水池入流端,湍流弓度值超过8%,几乎为均匀垂向流速剖面入口端的2倍之多。虽然随着水流的流动湍流强度持续减小，但：由于其初始的湍流强度绝对值相对

19、较大，使得水流需要流经较长的距离才可达到均匀扩散,实现稳定流舌因此一直到深水池纵向位置20m之后才稳定在试验要求的4%以下，而且最终的稳定值也较高.达到3.5左右。-8靠近入口处-0水池中央再近出口处0.0流速/(ms')IS2535深水池纵向距离/tn图5表层高流速时的垂向流速分布图6纵向方向上的湍流强度分布Fig.5VerticalflowuniformitiesathighdurfacespeedFig.6Turbulenceintensitiesinlongitudinaldirection因此，模拟表层高流速的垂向流速剖面时,在垂向方向上，深水试验池内入流端

20、方向区域、水池中央和去流方向区域的流速剖面并不是完全一致，还是存在这细微的差别。主要是因为来流方向比较靠近入口处，水流并未得到充分地发展与扩散，因此还没有达到稳定的状态。相对于入流方向区域，中央的试验区域和去流端的稳定性则更为理想。3.3典型垂向流速剖面的模拟在典型的垂向流速剖面中，深水池的表层流速较大，沿着垂向方向逐渐减小，在水深达到6m之后，流速基本维持在0.1m/s不变。图7为典型流速剖面时的垂向流速分布图，与图5比较可以得到同表层高流速的垂向流速剖面相似的结论。在深水池入流端，水流并未得到完全的扩散，表层流速也并未达到稳定值。而到了水池中央试验区域以及去流端区域,水流流动了一段较长的距

21、离，能最得到充分扩散，流动状况趋于稳定。因此，在进行模型试验时，试验区域应尽可能向去流方向移动一些，以保证水流在深水池内得到充分的扩散和发展，提高模拟垂向流速剖面与目标剖面吻合程度。典型垂向流速剖面时深水池内纵向X轴方向上的湍流强度值如图8所示。与图4和图6比较可知，入流端的湍流强度是随着表层流速的增大而增大的，此时的入流端湍流强度值在7%左右。随着纵向距离的增加,湍流强度值逐渐减小，在X轴距离为15m处湍流强度已基本减小到试验要求的4%以下。而在纵向距离超过30m之后,虽然湍流强度仍在缓慢减小，但其变化程度甚微，最终稳定在2.3%上下。因此,在典型垂向流速剖面中水池中央以及去流方向区域内的湍

22、流强度满足试验要求，模型试验时应将试验区域尽可能布置在靠近去流端。-100.0流速/(ms*)0.4642()、燹*港蔬QI_1一-L-1_七-A一AA_A1515253545深水池纵向距«/m图7典型流速削面时的垂向流速分布Fig.7Verticalflowuniformitiesoftypicalcurrentprofile图7典型流速削面时的垂向流速分布Fig.7Verticalflowuniformitiesoftypicalcurrentprofile图8纵向方向上的温流强度分布Fig.8Turbulenceintensitiesinthebasininl

23、ongitudinaldirection4模型试验为了对CFD数值模拟和计算的结果进行比较,对造流系统进行了物理模型试验。试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,模型缩尺比为1：10,试验装置如图9所示。图9深水池物理试验模型Fig.9ModeloftheDeepwaterBasin我们进行了一系列的模型试验模拟，包括均匀的和表层高流速的垂向流速剖而在内的不同剖面，以验证所模拟的海流状况是否与目标值相吻合，深水试验池能否根据需要准确地造出不同流速剖面。试验结果表明,在纵向和横向方向上，流速的均匀性得到了保证，垂向方向上则与目标值有少量的误差。并且，模型试验结果与计算结果也比较相似.在试验

24、区域中央以及去流方向区域，测量值与目标值的吻合度更高。模型试验对垂向流速剖面的模拟是在全水深范围内进行的。图10给出了模型试验测量所得到的垂向流速剖面与目标值的比较结果。由图中可以看到，在水池试验区域内,其垂向流速剖面与目标值吻合较好，可以得到较为满意的分层流速剖面，并且流速的平均值稳定在0.1m/s以上。因此，可以认为在垂向方向上，深水造流系统能够按照要求较为准确地模拟出目标流速剖面，模拟结果可以满足海洋深水模型试验的要求,并旦测最到的湍流强度也符合试验要求。流速Z(m.s')0.0流速/(ms')流速/(ms')(c)靠近出口处图10垂向分层流速剖

25、面的试验结果Fig.10Measuredverticalcurrentprofileinmeasuringarea物理模型试验测量的结果与数值计算所得到的结果吻合较好。物理模型试验为数值计算提供了可靠的验证,并为海洋深水试验池的设计与施工提供了很好的支持与参考。5结语通过对深水试验池三种不同垂向流速剖面的模拟计算和流场分析，可以得到以下一些结论：1) 深水池造流系统能够根据试验要求.通过调节各层的流量,较为准确地模拟出不同垂向流速剖面的深海海流。2) 对于模拟的三种流速剖面,在纵向的不同位置处，试验区域流场的垂向均匀性有所不同°在入流端,垂向流速剖面并未达到稳定状态，但随着水流的流动

26、，到水池中央试验区域以及去流方向区域，流速剖面逐渐改善，趋于稳定。3) 湍流强度随着水流的流动与扩散逐渐减小，即沿着X轴的正向不断减小，并最终趋于一个稳定值。深水池流场在均匀和典型垂向流速剖面的情况下，其湍流强度值仍较快地减小到海洋深水试验所要求的4%0而在表层高流速时，随着表层流速进一步增大，扰动较大，湍流强度也整体上升,直到深水池中央附近才能满足模型试验要求。4) 综合考虑水流在各个方向上与目标值的吻合程度以及湍流强度的大小，在做模型试验时应将试捡区域布置在水池中央或靠近水池出流端的附近，使模拟的流速剖面更为理想。如果需要扩大试验区域至入流段附近，需要在水池入流处采取相应的措施，以改善水流的垂向分布和湍流强度。5) 物理模型试捡测房的结果与数值计算以及目标值吻合较好,表明数值模拟计算的结果是可靠的，可以作为海洋深水试验池模拟海洋流速的参考。深水造流系统对不同的垂向流速剖面进行数值模拟计算，重点分析了深水池垂向上流速的分布情况。通过对水池内流场空间方向上流速的均匀性、垂向方向流速剖面与