焦春硕，王浩霖，董 胜
(中国海洋大学海洋工程系，山东，青岛 266100)
摘 要：浮式辅助安装技术是一项通过为水下生产系统配载浮力块来减轻吊重，从而降低水下生产系统对主装吊架起重能力要求的安装工艺。水下生产系统，安装完成后需在水底释放浮力块。该文基于Flow3D软件建立水下生产系统下放模型和浮力块上浮模型，分别对生产系统下放和浮力块上浮过程进行模拟，同时将数值结果与试验结果进行对比，验证了数值模型的准确性；并对计算结果进行分析研究，为浮式辅助安装技术的实施和改进提供理论指导。
关键词：海洋工程；水下生产系统；吊缆力；浮力块；上浮速度；Flow3D
随着国际社会对能源需求的增加，世界范围内的深海油气开发活动日渐活跃，油气开发逐渐向深水化、水下生产装置重型化发展，而水深和水下生产设施质量的增加对于水下安装技术提出了更大的挑战[1]。随着水深的增加，钢丝绳的重量显著增加，使采用钢丝绳安装效率急剧降低[2]。因此技术人员提出了一种浮式辅助安装技术，通过为水下生产系统配载浮力块的方法，借助浮力块的浮力来减轻吊重，以降低水下生产系统和缆绳对主装吊架起重能力和升沉补偿器补偿能力的要求[3]。了解下放过程中水下生产系统和缆绳的受力及运动响应可以为改进和完善浮式辅助安装技术提供理论指导。水下生产系统安装完成后需释放浮力块，对其进行回收再利用。由于浮力块经过长时间上浮后具有一定的上浮速度和弹出距离，其冲出水面时具有较大的冲击力，可能会对施工船舶和海上周围其他结构物造成一定的危害。因此需要对浮力块上浮过程进行研究，以保证海上施工能够安全顺利地进行。
在海洋工程中存在着大量涉及动边界的数值模拟问题，为了解决流固耦合问题中物体大幅度运动带来的困难，更准确地计算物体的受力，国内外学者采用许多方法对动边界技术进行研究[4―6]。朱洪来等[7]对流固耦合问题的描述方法及分类进行了详细阐述。靖树一等[8]采用Flow-3D软件模拟了二维方柱体绕流、浮体的垂直振荡和横摇运动，计算表明Flow-3D采用FAVOR方法比ALE动网格方法更加适用于求解大幅运动的流固耦合问题，其精度满足工程要求。
因此本文基于Flow-3D软件建立水下生产系统下放模型和浮力块上浮模型，同时将数值结果与试验结果进行对比，验证了数值模型的准确性；并基于该模型对下放过程中的吊缆力和释放后的浮力块运动响应进行分析研究，找出浮式辅助安装技术隐藏的缺陷，为该项技术的实施和改进提供理论指导和技术支持。
本文假定流体为不可压缩黏性流体，建立数值水槽的控制方程为连续方程和N-S方程为：
式中：u、v、w为x、y、z方向的速度分量；Ax、Ay、Az和VF分别为Flow-3D中FAVOR网格技术相关的x、y、z方向可流动的面积分数和可流动的体积分数；ρ为流体密度；p为压力；G x、G y、Gz为x、y、z方向的重力加速度；f x、f y、f z为x、y、z方向的黏滞力加速度。
为了准确模拟波浪、水流和水下生产系统相互作用时流体产生的变形破碎，选择RNGk-ε模型作为湍流模型。湍动能κT和其耗散率εT的输运方程为：
式中：PT为剪切效应引起的湍动能产生项；D iffκT和DiffεT为扩散项；CDISI1和CDISI2为模型参数。
本文所研究的模型采用拉格朗日 VOF对流法来追踪自由液面的变化。速度-压力项采用GMRES方法求解离散方程。
为研究由波浪荷载引起的吊缆力及水下生产系统的响应变化规律，做如下假设：① 假设起重船在海面上静止不动，忽略起重船横荡、纵荡和垂荡等运动对吊缆系统的影响；② 不考虑吊缆自身重量对吊缆力的影响，且忽略波浪荷载对吊缆的作用；③ 假设水下生产系统匀速下放。
利用Flow3D软件可以准确的模拟三维波浪数值水槽[9]。因此本文按照物理试验模型利用Flow3D软件建立三维数值水槽如图1所示。水槽前端为波浪边界，波高为0.03 m，周期0.8 s；水槽后端为自由出流边界，并设置允许出口回流；水槽边壁及底部设为无滑移壁面边界，顶部设为压力边界。
水槽尺寸为15 m×1 m×0.6 m，网格划分方法如下：在x方向结构物所在处进行加密，均匀划分约35个网格；z方向在波高范围内加密为11个网格；y方向在结构物所在位置均匀划分15个网格。其余部分均采用渐变网格。按照物理试验模型建立水下生产系统模型，其中上方物块为该系统模型的控速装置，当其按照0.03 m/s的速度匀速向下运动时，通过吊索连接的浮力块和水下生产系统模型也随之以相同速度匀速下放。浮力块和水下生产系统模型的运动形式为 Coupled Motion(耦合运动)，表 1为水下生产系统下放模型尺寸。
图1 数值水槽和水下生产系统下放模型
Fig.1 Numerical tank and subsea production system (SPS)lowering down model
表1 浮力块和水下生产系统模型参数
Table.1 Parameters of the Buoyancy Module (BM) and SPS
浮力块由深海处释放，基于深海海况的特点做出如下假设：1) 由于浮力块自深海海底上浮初期波浪荷载对其垂直运动的影响很小，忽略波浪荷载作用；2) 浮力块上浮速度相比水平海流流速大的多，其受到的海水阻力主要来自于垂直方向，故忽略水平海流对其垂直运动的影响。
浮力块模型尺寸与试验模型尺寸相同，长宽高为 0.1 m×0.1 m×0.047 m，密度为 372 kg/m3。数值水槽长、宽各为 1 m，高 2 m。为节省计算时间，网格采用渐变网格，最小网格尺寸为0.01 m，网格总数为1344800个。水槽四周及底部边界条件设置为壁面边界，静水面压强设置为标准大气压；初始水位为1.8 m，初始时间步长为0.005 s。
如图2所示，将吊缆力的模拟值与试验值进行对比可知二者的大小和变化趋势基本相同，验证了数值模型的准确性。下放系统的入水过程分为水下生产系统入水阶段和浮力块入水阶段，在吊缆力上分别表现为吊缆力的第一次和第二次下降。水下生产系统和浮力块在入水阶段由于受到波浪荷载的周期性作用吊缆力会出现相同周期性增大和减小现象。
图2 吊缆力模拟值与试验值对比图
Fig.2 Comparison of simulated hanger rope tension value with experimental value
浮力块是一种轻质材料，容易受到波浪的扰动作用。由图3可知浮力块入水时会引起整个系统水平晃动，而且引起的水下生产系统和自身运动幅值大约为水下生产系统入水时的2倍和6倍。当二者完全入水后，随着水深增加系统水平响应逐渐减小。这是由于波浪能量主要集中于波表面，随着水深增加波浪能量逐渐减小，对下放系统的扰动作用也减小。
图3 水下生产系统和浮力块的水平扰动
Fig.3 Horizontal disturbance of SPS and BM
增加浮力块后的下放系统总吊缆力减小为原来的63.5%左右，说明浮力块可以有效减轻吊重，验证了浮式辅助安装技术的可实施性。但是由于吊缆松弛和张紧时产生的冲击张力是张紧情况的 2.4倍，容易引起吊缆的强度破坏，因此应选择波浪较小的天气进行作业或通过增加入水时吊缆的根数来增强吊缆承受突变荷载的能力，从而使浮式辅助安装技术更加完善。
浮力块被释放后由静止开始上浮，经过模拟计算得到浮力块上浮速度曲线如图4所示。浮力块上浮初期上浮速度急速增加，在短时间内即达到一定的稳定速度；上浮速度经过长时间的缓慢增加后逐渐趋于定值，达到平衡速度。浮力块以平衡速度继续上浮直至浮出水面。观察浮力块的位移曲线的末端变化可知，浮力块冲出水面一定高度后将落于水面，然后在水面做振动运动直至趋于平稳。将试验模型与数值模型在同一时间点处的上浮情况进行对比(如图 5所示)二者上浮位移吻合良好，验证了数值模型的正确性，说明该模型可以准确地模拟浮力块上浮过程。
图4 浮力块上浮速度
Fig.4 Floating-up vertical
浮式辅助安装设施主要应用于深水情况下水下生产系统的安装，不同的水深是否会影响浮力块上浮平衡速度是施工技术人员较为关心的一个问题。为验证水深是否会影响浮力块上浮速度，将1.8 m的试验水深在数值模型中增加至3.8 m，并观察两种不同水深情况下的浮力块上浮速度与上浮高度之间的变化关系。如图6所示，二者上浮速度变化曲线基本吻合，可知水深变化对浮力块上浮速度基本无影响，浮力块均是在极短时间内达到平衡状态且平衡速度相等。
浮力块以平衡速度冲出水面，具有较大的冲击力，会对回收船只或其他海上结构造成一定危害。为了减少未知危险的发生，在实际工程应用中应采取一定措施降低浮力块冲出速度和弹出高度，以保证海上施工能够安全顺利地进行。
图5 同一时刻试验与模拟上浮过程对比图
Fig.5 Comparison of experimental floating-up process and simulative floating-up process at the same moment
图6 不同水深下浮力块上浮速度
Fig.6 Comparison of BM velocity in different water depths
本文基于 Flow-3D软件建立水下生产系统下放模型和浮力块上浮模型，经过计算分析得到以下结论：
1) 通过配载浮力块来减轻水下生产系统吊重的方法是行之有效的，在理论上证明了浮式辅助安装技术的可行性。
2) 波浪荷载对浮力块的作用较显著，因此应选择波浪较小的天气进行作业或施工时增加吊缆的根数来增强吊缆承受突变荷载的能力。
3) 在深海作业时，浮力块的上浮平衡速度与水深无关。考虑安全因素，应采取一定措施降低浮力块冲出速度和弹出高度。参考文献：
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SIMULATION OF BUOYANCY AID INSTALLATION FOR HEAVEY FACILITIES IN DEEP SEA
JIAO Chun-shuo , WANG Hao-lin , DONG Sheng
(Department of Ocean Engineering, Ocean University of China, Shandong, Qingdao 266100, China)
Abstract:To reduce the requirement for the lifting capacity and decrease the hoist cable force during the descending and laying processes of subsea production systems, a buoyancy aid installation technology was proposed by applying buoyancy modules on subsea production system to alleviate the lifting weight and releasing the modules after installation. This study developed two models using the Flow3D software package: the subsea production system lowering down model and the buoyancy module floating-up model. It is observed that good agreement existed between the simulation and the experiment results. The simulated results offer quality reference on this new technology.
Key words:ocean engineering; subsea production system; rope tension; buoyancy module; floating-up velocity;Flow3D
中图分类号：P751
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.S013
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0344-05
收稿日期：2017-06-01；修改日期：2017-12-25
基金项目：国家自然科学基金项目(51779236，51479183）
通讯作者：董 胜(1968―)，男，山东人，教授，博士，主要从事海洋工程环境及其与结构相互作用研究(E-mail: dongsh@ouc.edu.cn).
作者简介：焦春硕(1990―)，女，河北邢台人，博士生，从事港口与海岸工程研究(E-mail:chunshuohebei@163.com);
王浩霖(1992―)，男，山东济宁人，硕士生，从事港口与海岸工程研究(E-mail: wanghaolin1062@163.com).