巨魔B上的风力数值模拟
G.K.菲内斯*
Norsk Hydro ASA，E＆P Research Center，Sandsliveien 90，N-5020 Bergen，Norway。1997年10月29日收到 修订本于1998年6月15日收到; 于1998年10月6日接受。
摘要
使用三维计算流体动力学模型来检查气流对海上生产的简化几何描述的力（压力和粘性），平台Troll B. Navier-Stokes方程用于描述除流动之外的气流
通过平台的某些具体区域，如火炬塔，达西公式已被雇用。使用“双方程”重归一化组k-epsilon公式对湍流进行建模。使用基于控制体积的非结构化网格求解方程技术。
该模型被强制通过处理，流入口的风速和湍流水平垂直，风廓线被设计成适合来自风洞的实验数据的边界试验。在海面和表面施加防滑边界条件，平台本身包括表面波的存在对风廓线，表面的影响引入对应于2米波高的粗糙度长度。希望平台风力被忽视。为各种风向计算流场和总牵引力/提升力。结果是与Troll B的风洞实验数据相比，1999 Elsevier Science Ltd.为版权所有。
1介绍
浮式海上装置的锚固系统的设计和尺寸要求对作用于其上的力的知识。 这些力量是部分负荷海（例如波浪和潮流）和风。 通常，静态部分总数负荷由风力主导。 对于一个平台，如巨魔B（图1）风的贡献约为60％，挥动30％，流量为10％。 巨魔B平台是Norsk Hydro运行的浮动生产平台停泊在中挪威海沟/北海约330米。
*电话：＃47 55 99 62 37; 传真：＃47 55 99 69 28; 电子邮件：gunnar.furnes@hydro.com。
0951-8339 / 98 / $ - 见前言（1999 Elsevier Science Ltd.保留所有权利。
PII：S 09 5 1-8339（98）00013-6。
G.K. Furnes / Marine Structures 11（1998）273-289。
平台周围的外部风流和相应的牵引力，通常通过实验确定或通过基于模型测试的统计学方法来确定。对于巨魔B，以1:200比例模型进行风洞测试程序[1]。 根据风向，典型的力系数推导出来测试高于2.0。 为了比较的目的，可以提到相应的“最佳”车的价值接近0.2。
海上平台动态定位和锚泊系统设计依靠关于风力如何作用在结构上的知识。 此外，系泊成本（类似于汽车的燃料消耗）被反映在阻力系数的值 因此，优化施工是有意义的关于形状和功能。
与汽车行业相反，气动阻力多年来一直存在设计的重要组成部分，海上施工的开发活动主要集中在功能上，在较小程度上集中在空气动力学形状上。水力和航空动态设计中的有用工具是计算流体动力学（CFD）建模。 CFD计算是基于数值解的基础描述流体流动，传热和湍流现象的方程式。CFD技术的工业应用近来越来越受欢迎并且证明比传统方法更具成本效益和灵活性。
本文涉及一个简单的外部流动的空气动力学研究，使用CFD技术的生产平台Troll B的fied模型。 一般研究的目的是检查CFD技术的潜力平台设计。 在这方面的第一个挑战是资格或证明通过与实际的全尺寸观察或比较，CFD解决方案的质量实验室数据。 这要求在平台上的几何描述细节足以解决主导的空气动力学过程。
在一个全面的练习中，几何可以是例如CAD的描述该平台，但是在本研究开始时尚未提供。 简化1：1因此，从模拟中使用的施工图生成模型。不幸的是，作者没有意识到风洞模型的存在那个时候，否则几何模型将被赋予相同的程度细节如此。 然后CFD数据与风洞数据的比较更加现实。 在本研究的后续阶段，计划是生成基于风洞模型的新模型。 这包括使用评估与风洞模型试验相关的尺度效应的CFD方法。
与物理模型相反，计算机模型很容易修改。 变化和改进很容易引入。 引入斜面的一些效果，本Troll B几何模型的选定模块也已被研究，但不会在本文中提出。
2 建模技术
描述湍流运动细节的确切方程是已知的，原则上可以解决的数值程序; G.K. Furnes / Marine Structures 11（1998）273-289。
图 1.从西南方向看到巨魔B油生产平台。
在实践中解决是由于湍流运动的重要过程。它们不能发生在这样小的尺度上，它们不能用数字解决方案解决当今的硬件和软件。 因此，必须引入近似值照顾数字网格中未解决的尺度。这里考虑的CFD模型是三维紊流巨型B平台的全面模型。 假设流量是不可压缩的运动方程为：
这里的符号使得V是速度矢量。 是空气密度，p是压力，g是重力加速度，l是流体粘度， 是梯度算子.
为了解决方程式 （1）和（2）在有限的计算网格上，有必要选择一个动荡交流的方案，并规定初始和边界条件。 本研究中使用的CFD代码Fluent提供了一个一种基于重整化组（RNG）法的湍流模型“模范建设”框架。 该模型遵循双方程湍流建模技术已经从原来的控制方程得出流体流动。 详见[2-4]。
所得到的RNG K-e模型在许多方面与标准K-e不同。 对于例如，在RNG模型中，常数和函数由理论而不是评估通过实证关系。 RNG方法的想法是去除小规模漩涡从动力学系统和从其分子值增加粘度升.0-表示为l的有效粘度.
RNG K-e公式提供了有效变化的方程式雷诺数粘度。 该方程式通过刻度消除来实现程序和形式:
其中A 1.04] 10〜4是通过全RNG理论评估的常数，e是速率的能量通过惯性范围传递到耗散涡流（耗散率）。Fluent的RNG K！e模型采用等式的差分形式。 （3）计算中有效粘度，产生如何有效湍流的准确描述运输因涡流尺度而异。 只有这方面的一些方面是在这里考虑.
耗散率e始终是正的，由...表示:
粘性效应在诸如那些特征的较大尺度上并不重要的能量投入。 这意味着能量从一个尺度转移到另一个（由于方程式中的非线性项可能） （1）]和显着性
耗散仅在速度梯度足够大的尺度上进行式。给出耗散平衡能量输入的值。 这些秤是在实践中非常小，如果假定规模依赖，可以估计只有e和l.0-。 这些参数与维度的唯一组合长度是：
l的典型值d（Kolmogorov微尺度）对于海洋和大气是一毫米的顺序。积分方程 （3）超过l并使用条件，给出：
式（6）给出了分子间涡流粘度的插值公式。粘度l.0-在耗散尺度上有效，和大涡流下的涡流粘度涡流尺度 （6）转换成:
其中湍流粘度 ,通过代入式（1）中的e，得到该方程的不同形式。（4）。于是:,这与Prandtl的经典混合长度理论非常接近实验数据.
Kolmogorov的第二个假设导致了频谱形式的描述，或能量密度函数E（k），“惯性子范围”中具有粘性效应不重要。 在这个范围内，E（k）完全由两个参数决定波数k“（2n / l）的幅度和通过能量的传递速率光谱。 后者可以等于能量衰减的速率涡流或每单位质量e的最终能量消耗最小漩涡.函数E（k）与每单位质量V2的动能有关波数范围[k，RT by:
在惯性子范围内，湍流的能谱E（k）必须为形式[5]。
其中C1 1.6是绝对常数。 介绍方程 （9）转为方程8）和整合给:
如果,通过表达式 （10）在长度方面的动力学能量在[0，l]范围内:
和
消除方程式中的长度尺度 （7）通过从公式 （11），导致 ：
当
表达式 （12）与标准K-e型号相同其中Ck经验确定为约0.09.
像标准的K-e模型，Fluent中的RNG K-e模型使用雷诺通过湍流应力模拟的平均Navier-Stokes方程有效粘度概念。 关闭动量所需的有效粘度方程式由方程式的微分形式计算。（3）。 RNG理论还提供K和e的运输方程:
和
当C1=1.44，C2=1.92时，
式（16）来自RNG理论，其允许将K和e应用于低雷诺数区域不引入诸如墙壁功能的阻尼。该分子逆Prandtl数的值是a0“1.0。应变率项R在RNG K-e方程中表示为：
除了值之外，RNG模型的形式非常接近标准K-e的模型常数以及它们如何确定。 最突出的区别出现在e方程中，其中不存在新的源术语（R）标准K-e。 特别地，模型常数C2e在RNG中是相当小的标准K-e。
G.K. Furnes / Marine Structures 11（1998）273-289。
3 巨魔B上的气动力
Troll B几何模型如图1所示。 2是用Fluent预处理器创建的称为Geomesh。图。 图3显示了周围的计算域平台。 一个非结构四面体网格，其上使用a来求解方程有限体积方案，构建在平台与空间之间毗邻边界 图。 2在海面和表面上显示了这个网格平台本身。
该模型被强制规定了风速和湍流水平流入开放边界，其中垂直风廓线被设计成适合实验数据来自风洞试验。 速度分布由幂律给出：
在这个方程中，h h是海面高度h处的风速，“10”是参考高度（10 m）的速度，h是海面高度。 指数选择“0.124”表示与风洞试验相同的风廓线。
在海面和表面施加了防滑边界条件的平台。 然而，平台的火炬塔被视为半透明的使用达西公式。 包括表面波的存在的影响风廓线，对应于波高2米的表面粗糙度长度介绍。 由于风力而对平台的感慨被忽视。 密度空气分层也被忽视。
图4显示了沿开放流入量规定的垂直风廓线边界（来自方程（18））以及两个相应的稳态分布在距离边界不同距离处的选定的下游位置（大约14和34距离平台）。 这表明了如何轮廓在边界层中被修改。 开放边界处的速度分布是与风洞平台位置的剖面完全相同平台已安装。 注意这个风之间的差距很小CFD和风洞试验。 h“10米高的速度为”h““38米/秒。
遵循与风洞试验相同的风向惯例，风从西（90°）向正x轴的方向定义（见图2和图3）而南（180°）的风则在负z轴方向。 积极的y轴垂直向上。
网格分辨率最初不是为了捕获涡流脱落而设计的平台。 因此，本文将重点介绍固定解决方案。在开放时用规定的风廓线进行计算西经西南方向的多个风向的边界。
图Troll B与表面网格的几何表示
图计算领域。
图 4.入口边界处的规定风廓线（绿色）。 红点和白点是选定的轮廓
顺风位置
图东部组成部分的总力量为选定的风向
图 6.选择风向的总分力的北部分
图 7.选定风向的总力的垂直分量。
图 巨魔B风洞模型。
图 9.南风风压等级（Pascal）。
在每个风向的各个模块上计算压力和粘性力。该总力（压力＃粘性）随后沿坐标分解轴，并为每个风向绘制。
图5显示牛顿（红点）中总力的东（x）分量在风洞测试中恢复数据。 考虑到以前提到的假设，以及风廓线的差异定义了协议数据和预测之间的数据通常是非常好的，但在一定程度上有所不同风向。
图6显示了类似的图，但是对于北分量（-z）。 很明显图。 6，测量的力分量的一般特征被解决CFD模拟。 然而，CFD计算给出的力大于那些从风洞中恢复的。 偏差明显大于用于x分量。
虽然总力的垂直分量是比较少的兴趣水平力，它被计算，为了比较目的，它被绘制图 7连同风洞测量。 从图中可以看出。 7那个CFD和风洞数据之间的偏差[]随风向变化。 对于大约南部的协议是相当好的。 最大的偏差在东南方向绕风。 请注意，差价合约给出一个接近的趋势相对于南风的垂直力的反对称分布。该风洞数据呈现不同的行为。 西风与南风之间有一个类似的分布的迹象，但这并不适用于风南到东，大致恒定。
风洞之间的偏差有很多可能的解释和CFD数据。 相信在风洞中会发生规模效应是合理的测试并因此在转换成满量程时引入错误。 还有错误来源与确定各种量如力和风廓线。 然而，预计主要的错误源是不同的细节内置于几何定义。 其中一个细节是一些生产从海面升
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