CC BY
72
УДК 629.563.2.001.57 ББК 33.361.4:33.361.4в614.21
А. П. Яковлева, П. В. Яковлев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВОЙ ЗАЩИТЫ МОРСКИХ НЕФТЯНЫ1Х ПЛАТФОРМ
А. P. Yakovleva, P. V. Yakovlev
SIMULATION OF WIND PROTECTION OF MARINE OIL PLATFORMS
Исследованы устройства защиты от ветра производственных площадок нефтяных платформ. Разработана модель расчета поля скоростей и алгоритм решения. Численное моделирование ветровой защиты морских нефтяных платформ позволило выделить перспективные направления создания высокоэффективных аэродинамических элементов с высокими эксплуатационными показателями. Получены результаты расчета полей скоростей при использовании различных устройств ветрозащиты и способов их установки. Разработаны рекомендации по использованию защитных устройств.
Ключевые слова: ветрозащита, моделирование, нефтяная платформа.
The wind protection devices of manufacturing sites of oil platforms are examined. A model for the calculation of the velocity field and the solution algorithm is worked out. Numerical simulation of the wind protection of offshore oil platforms made it possible to identify promising areas of creation of highly aerodynamic elements of high performance. The results of calculation of the velocity fields using a variety of devices and methods of windshield installation are obtained. The recommendations on the use of protective devices are presented.
Key words: windscreen, modeling, oil platform.
Значительное количество производственных объектов требует защиты от ветрового воздействия. Высокая скорость воздуха на производственной площадке создает технологические и экологические проблемы, повышает опасность производства работ. Отсутствие естественной защиты от ветра и необходимость организации непрерывной работы на морских нефтяных платформах определяют необходимость решения задачи снижения ветрового воздействия на рабочих местах, переходах, вертолетных площадках.
Среди способов защиты от ветрового воздействия наиболее распространенным является ограждение производственной зоны вертикальными щитами, а иногда и просто брезентом. Способ показал свою эффективность, но в ряде случаев применение вертикальных щитов затрудняет выполнение транспортных работ, ограничивает видимость, создает значительные ветровые нагрузки на несущий каркас объекта. Проверка возможности использования других способов ветрозащиты, основанных на динамическом воздействии на воздушный поток, стало предметом нашего исследования.
Как показывает анализ известных способов решения проблемы, ветрозащита может быть организована установкой наклонных плоских щитов, спрофилированных вогнутых листовых элементов, устройств в виде направленного рефлектора. Эти устройства могут размещаться на краю палубы, сдвинуты от края, кроме того, может быть использован способ вынесения аэродинамических элементов за габарит платформы. Существенные особенности этих способов, определяющие выбор технического решения, получены нами с использованием численной модели.
Численная модель включает в себя уравнения Навье - Стокса и неразрывности в разностном виде [1]. В связи с тем, что расчет не имеет привязки к конкретному конструктивному фрагменту платформы, а также малости влияния на поле скоростей вокруг аэродинамического элемента деталей конструкции, расположенных «по ветру», граничные условия приняты следующим образом: на входе в расчетный элемент скорость по всему живому сечению постоянна и равна расчетной скорости ветра, на выходе из расчетного элемента движение воздуха свободное и поле скоростей определяется по результатам расчета. Элементы конструкции непроницаемы. Сходимость решения обеспечивалась использованием неявной разностной схемы, выбором способа разбиения и проверялась по условию сходимости и воспроизводимости результатов расчетов.
Для облегчения сравнительного анализа конструкций в расчетах приняты базовые размеры аэродинамических элементов 2 м, скорость ветра 10 м/с. При необходимости полученные результаты легко переносятся на другие размеры масштабированием.
Рассмотрим распределение поля скоростей при существующей схеме ограждения рабочей зоны. Для сравнения поля скоростей без ограждения и с вертикальным листом, размещенным по краю площадки, представлены на рис. 1.
Рис. 1. Поля скоростей на площадке без ветрозащиты и с ограждением: а - без ветрозащиты; б - вертикальный лист
Как видно из рис. 1, при отсутствии ветрозащиты, вследствие влияния конструктивных элементов платформы, над площадкой наблюдается разгон воздушного потока, а скорость ветра превышает фоновую. Так, уже на расстоянии от края 3-4 м и высоте 2 м скорость выше примерно на 10 %. Установка вертикального листа за ним понижает скорость. За листом наблюдается вихревое движение, которое может создавать проблемы с уносом пыли или аэрозолей. Вместе с тем уже на расстоянии 3h (Н - высота листа) на уровне высоты ограждения скорость равна фоновой с дальнейшим разгоном потока вдоль площадки. Это свойство обусловило необходимость создания ограждений со значительным запасом по высоте.
Наклон листа «вперед» изменяет поле скоростей на площадке. На рис. 2 представлены поля скоростей при наклоне ограждения против ветра на 45°. Лист расположен на краю площадки и во втором варианте смещен от края на площадку.
Рис. 2. Сравнение полей скоростей для наклонных ограждений: а - ограждение наклонное установлено на краю; б - ограждение наклонное установлено с отступом
Эффект ветрозащиты достигается формированием встречного, относительно направления ветра, потока воздуха, который поднимает фоновый воздушный поток вверх. Уровень защитной зоны на производственной площадке составляет примерно 2^ что позволит снизить высоту аэ-
родинамического элемента. Сравнивая поля скоростей на рис. 1, б и 2, а, во втором случае можно отметить лучшее распределение скоростей по производственное площадке. За ограждением практически нет вихревой зоны, отсутствует выраженный нисходящий поток, что позволяет снизить высоту ветрозащиты. Смещение листа от края вглубь площадки (рис. 2, б) создает несколько больший восходящий поток воздуха, собственно и определяющий отмеченные особенности ветрозащиты, но эти изменения дают отклонение значений скорости на незначительную величину. Существенной разницы между схемами 2, а и 2, б не выявлено.
Наряду с положительным эффектом можно отметить и отрицательный. Над ветрозащитой скорость ветра значительно выше фоновой. Так, при скорости ветра 10 м/с над защитным листом скорость превышает 16 м/с. Указанную особенность необходимо учитывать, если планируется проведение работ в незащищенной области, как, например, на верхних уровнях металлоконструкции буровой.
Использование встречного потока воздуха для защиты площадки должно быть эффективно реализовано путем использования специальных профилей по принципу антикрыла. На рис. 3 представлены результаты расчета полей скоростей при замене плоских защитных экранов изогнутыми профилями, направляющими поток по аналогии с наклонными листами.
б
а
Рис. 3. Поле скоростей при использовании профилированных ограждений: а - ограждение профилированное, установленное на краю; б - ограждение профилированное, установленное с отступом
Анализ полей скоростей в случае профилированного ограждения показывает, что эффект формирования восходящего потока усилился, однако ожидаемого улучшения ветрозащитных свойств не произошло. За ограждением сформировалась четко выраженная вихревая зона, что нежелательно при работе с сыпучими материалами. Над защитными экранами формируется заметный восходящий поток воздуха, приводящий к более чем двукратному увеличению скорости над площадкой. На удалении 4h - 5h от экрана скорость ветра приближается к фоновому значению. Существенной разницы между схемами 3, а и 3, б не выявлено. Сравнивая эксплуатационные характеристики, можно отметить высокую эффективность профиля непосредственно за ним, превышающую все рассмотренные ранее, но уступающие другим решениям при больших размерах производственной площадки. Таким образом, ветрозащита в виде профилированного ограждения эффективна при необходимости защиты рабочей зоны малой протяженности по направлению ветра, такой как, например, переходы.
Как отмечалось выше, сдвиг защитных экранов от края вглубь площадки не давал заметного эффекта. На рис. 4 представлены результаты установки вынесенных за габарит платформы профилированных экранов.
Из полученных результатов следует, что вынесенные профили включили в процесс формирования защитной зоны элементы корпуса платформы. Зона пониженного давления за профилем позволила сформироваться восходящему потоку воздуха за защитой, поднимающемуся вдоль корпуса платформы. Этот поток создает пограничный слой вдоль промплощадки, предотвращая приток высокоскоростного потока из верхних слоев. В отличие от всех рассмотренных выше конструктивных схем, на уровне высоты защитного экрана скорость ветра гарантирован-
но ниже фоновой, скорость над защитой увеличивается, но не превышает 10 %. Опуская профиль ниже плоскости палубы, можно обеспечить большую свободу, например, при проведении грузоподъемных операций. При уменьшении выступающей высоты в 2 раза, с 2 до 1 м, защищаемая зона по высоте уменьшается от 2,5 до 1,5-2 м. Анализ показывает высокую эффективность такого способа ветрозащиты.
Рис. 4. Поле скоростей при вынесении экранов за габарит платформы: а - ограждение профилированное вынесено вперед; б - ограждение профилированное вынесено вперед и опущено ниже уровня палубы
На рис. 5 представлены поля скоростей при конструкции защитных элементов в виде рефлекторов, направленных вверх и создающих защитный восходящий поток. Сравнивая рис. 3, а и 5, а, с одинаковым местом установки, можно отметить, что рефлектор создает устойчивую ветрозащиту без увеличения скорости воздушного потока над защищаемой зоной. Вынос рефлектора за габарит (рис. 5, б) имеет сходные параметры ветрозащиты с конструкцией на рис. 4, а. Из недостатков можно отметить несколько большую интенсивность вихря за аэродинамическим элементом. Опуская рефлектор ниже уровня палубы (рис. 5, в), получаем ветрозащиту, сходную по эксплуатационным характеристикам с вариантом 4, б. Преимуществом рефлектора является меньшая интенсивность вихря за защитым элементом. Создание ветрозащиты из наклонных элементов рефлекторного типа является эффективным способом решения проблемы. Рефлекторы менее требовательны к способу установки, обладая устойчивыми защитными свойствами при разнообразных способах установки. Недостатком конструкции является значительная вертикальная аэродинамическая нагрузка на элемент, требующая более прочных деталей крепления к платформе.
а б в
Рис. 5. Использование ограждений рефлекторного типа: а - рефлектор установлен на кромке; б - рефлектор на уровне палубы, вынесен за габарит; в - рефлектор вынесен за габарит и опущен
Как отмечалось выше, существующие системы ветрозащиты необходимо конструировать с запасом по высоте из-за нисходящих потоков воздуха. Профилированные аэродинамические элементы используют принцип динамической защиты, в связи с чем уменьшение их высоты не приводит к кратному уменьшению высоты защищаемой зоны. Представленные на рис. 6 поля скоростей компактных рефлекторов это подтверждают. Двукратное уменьшение высоты защит-
ного элемента снижает высоту защищаемой рабочей зоны примерно в 1,5 раза. Это свойство открывает возможность конструирования ветрозащиты с меньшими массогабаритными параметрами для точечной защиты рабочих мест.
Рис. 6. Использование компактных ограждений рефлекторного типа: а - компактный рефлектор установлен на кромке; б - компактный рефлектор вынесен за габарит
Численное моделирование ветровой защиты морских нефтяных платформ позволило выделить перспективные направления создания высокоэффективных аэродинамических элементов с высокими эксплуатационными показателями. Исследования будут продолжены в части уточнения конструкционных параметров защиты для достижения наибольшего эффекта, получения расчетных зависимостей для динамических нагрузок на конструкционные элементы, обобщения полученных результатов с использованием теории подобия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарбузов В. М. Аэромеханика / В. М. Г арбузов, А. Л. Ермаков, М. С. Кубланов, В. Г. Ципенко. М.: Транспорт, 2000. 278 с.
REFERENCES
1. Garbuzov V. M., Ermakov A. L., Kublanov M. S., Tsipenko V. G. Aeromekhanika [Aeromechanics]. Moscow, Transport Publ., 2000. 278 p.
Статья поступила в редакцию 5.06.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Яковлева Анна Павловна — Астраханский государственный технический университет; студентка, специальность «Информационная безопасность»; [email protected].
Yakovleva Anna Pavlovna — Astrakhan State Technical University; Student, Specialty "Information Security"; [email protected].
Яковлев Павел Викторович — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, доцент; профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика»; [email protected].
Yakovlev Pavel Victorovich — Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department "Life Security and Hydromechanics; [email protected].
