卢 臣

上海苏尔寿工程机械制造有限公司 （上海 201306）

地球上75%以上的表面是海洋，其中蕴藏着巨大的资源，包括石油、天然气等。随着人们对海洋世界探索的增加及陆地资源的不断减少，海底资源不断被发掘利用。目前陆地上的石油开采及提炼设备已经非常成熟；而海上平台上的开采及提炼设备由于受到海水流动的干扰，各内件的性能大受影响，导致塔设备的整体效率降低。

关于海上平台上气液两相流的研究，大多集中于内部流场[1]与外部流场[2-5]，同时模拟晃动的平台与内部气液两相流的文献不多。本文针对海上平台不断晃动的特点,通过利用开源计算流体力学（CFD）软件OpenFOAM模拟其上塔设备内收集器中气液两相的流动，对塔设备中收集器的设计进行模拟验证及优化。收集器作为塔设备中的常用部件，承担着收集并预分布液体、重新分布气体的作用。液体与气体在收集器各自的流道内互不干扰，才能达到最优的效果。

1 计算模型和方法

1.1 物理模型

图1所示为一款收集器，液体经过上部的填料进入收集器后再预分布，气体从收集器的底部沿直立管向上进入上部填料，气体与液体在填料中进行传质、传热。在收集器的直立管上端加一个帽子，防止上部流下的液体直接进入气体通道。收集器在正常工作时，通常会有一定量的液体聚集在其底部。由于海上平台的晃动，收集器中的液体也会随之流动。因此在设计时需要考虑到晃动的液体不能从气体通道（直立管）溢出，只能从底部的降液管流出，这样才能完全发挥收集器的作用。在进行气液两相流的数值模拟计算时，为简化计算，需要对模型进行简化。气体通道上的直立管帽不作考虑，即直立管上部密封，不考虑流入的气体；收集器上部流下的液体也不作考虑，即顶部密封，只考虑收集器内的气体和液体。

图1 收集器平面图

1.2 数值模型

用Solidworks对收集器进行整体三维建模后，采用OpenFOAM自带的 blockMesh和sanppy－HexMesh工具对模型进行网格划分，生成六面体结构化网格为主的混合网格。为提高精度，对直立管、交界面及近壁区域采取网格加密处理。收集器网格如图2所示：总共有795632个网格；网格最大纵横比为11.890 3，最大体积为5.694 81e-06，最小体积为4.013 06e-08；非正交性检查通过，网格最大扭曲为3.161 48。

图2 收集器模型及网格

1.3 平台运动模型

海上平台的6自由度运动即为沿着x，y，z轴3个方向的平动和绕3个轴的转动，其相关研究有很多，包括数值模拟研究与实验研究。海上平台6自由度的运动（见图3）可以定义为振幅为A，角频率为ω和相位为φ的正玄曲线运动，ω=2π/t（t代表时间周期），运动形式可以表示如下：

图3 6自由度运动

（1）平移运动

（2）回转运动

运动响应可改写成坐标系内的运动，见式（7）。

该转换坐标系内的运动在模拟中被定义为时间和空间的函数。本CFD模拟中只考虑海上平台常见的3个自由度方向上的转动。参考坐标的中心点是整个海上平台的重心点，同时考虑了平台整体的相对运动。瞬态模拟运动的参数如表4所示。

表4 瞬态运动参数

由于3个运动的周期比较相似，为找出危险时间点的运动，模拟周期必须包括3个运动的周期。计算周期采用3种运动周期的最小公倍数，即模拟时间为110 s，这样既能计算整个大周期内的流动状态，也能尽可能地减少计算时间，以便更快地得到结果。

1.4 流动模型和边界条件

整个海上平台的重心相对于收集器模型的坐标是（-75 m，-20 m，-41.5 m），气液两相流的模拟采用流体体积函数（VOF）多相流模型[6]进行。由于平台随海浪做周期性运动，故模拟采用瞬态模拟，流体模型采用k-ω湍流模型。迭代残差的收敛判据为1e-5，壁面无滑移边界。气体、液体的物性参数如表5所示。

收集器中液体的最高液位随时间的变化如图4所示，液位为0的位置表示收集器的甲板底部，直立管高度为400 mm，整个收集器的高度为520 mm。初始液位为相对于收集器甲板及中央主槽底部分布均匀的液体位置，高度为16 mm，如图5所示（底部阴影表示初始液体部分）。

表5 气液物性参数

图4 液位高度参考图

图5 初始液位（底部阴影部分为液体）

2 数值模拟结果与分析

通过模拟可以得出不同时间点内收集器液体的最高液位，如图6所示。

3 评估及优化

CFD模拟结果显示，由于海上平台周期性的晃动，收集器内液体也随之运动。在一个大周期内，液体的最高液位在最初几秒内剧烈波动，随后减弱，然后随着时间延长波动越来越剧烈，在30～70 s之间达到最高值，之后液体流动趋于平缓，最高液位降低。在整个晃动周期内，液体有溢流进入气体通路的风险，最高液位可达520 mm，高于直立管的高度（400 mm），甚至到达收集器的顶部。

图6 收集器内液位随时间的变化情况

根据以上结果，对收集器进行优化设计。在底部中央主槽分别增加两块竖直板，其高度与主槽平齐，下面留有20 mm的间隙，这样既能有效阻止主槽内液体的过快累积，又能方便主槽底部液体的扩散流动。

优化后的模型见图7，共796 582个网格；网格最大纵横比为11.890 3，最大体积为5.725 55 e-06，最小体积为4.013 06e-08；非正交性检查通过，网格最大扭曲为3.16148。

图7 优化后的模型结构

再次模拟后，得到的结果如图8所示，收集器内的瞬时最高液位得以大幅度降低，直立管溢流的风险也大大降低，最高液位只有0.348 m，小于直立管高度，可保证收集器正常工作。

4 结论

通过CFD模拟对海上平台塔内收集器内的三维流场进行可视化研究，根据分析结果提出优化方案。计算结果表明，优化方案具有显著的削波稳流作用，能有效抑制收集器内液体的波动，从而减少了溢流的风险，提高了塔设备的工作效率。目前，塔设备工作状况良好。

图8 优化后收集器内液位随时间的变化情况

在产品开发设计阶段应用CFD方法，可以快速进行分析验证，提出优化方案并进行模拟，从而大大缩短开发设计周期、节省开发费用并保证产品质量，其分析结果对于设计开发人员优化产品设计具有重要参考价值。

[1]鲍玲玲，刘中良，孙俊芳，等.海上平台水合物分离器内气液两相流数值模拟[J].工程热物理学报，2010，31(9):1539-1542.

[2]曹洪建，万德成.基于OpenFOAM的数值波浪水池开发与应用研究 [C]//中国造船工程学会船舶力学学术委员会第八次全体会议论文集.大连：2014.

[3]吴明，石爱国，杨波，等.基于CFD的船舶斜浪三自由度运动仿真研究 [J].计算机应用研究,2013,30 (7):2233-2235，2240.

[4]李东，石爱国，杨波.基于CFD的规则波顺浪数值水池模拟 [J]. 舰船科学技术，2016，38(9)：20-23.

[5]尹波.基于CFD的数值波浪池技术及其强迫横摇数值实验研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2011.