基于OpenFOAM软件CFD模拟的海上平台上塔设备内收集器的优化设计

（4）
转动（绕 y 轴）: 茁(t) = A 茁sin(棕茁t+渍茁)
（5）
转动（绕 x 轴）:酌(t) = 酌sin 酌t +渍酌
（6）
运动响应可改写成坐标系内的运动，见式（7）。
x' cos琢 杉山
煽衫 杉山
山
衫山
山
衫山
y' sin琢 山
衫山
山 山 山
=衫 山
衫山 衫山
山
衫山
z' 山
衫山
删山
闪衫 删山
第 43 卷 第 2 期 2018 年 2 月
上海化工 Shanghai Chemical Industry
·27·
工作研究
基于 OpenFOAM 软件 CFD 模拟的 海上平台上塔设备内收集器的优化设计
卢臣
上海苏尔寿工程机械制造有限公司 （上海 201306）
摘 要 利用开源计算流体力学（CFD）软件 OpenFOAM 模拟海上平台上收集器内气液两相流的运动，追踪收集 器内最高液位随时间的变化。模拟结果表明：初始设计的收集器内最高液位高于直立管的高度，甚至到 达收集器的顶部，液体有从直立管溢出的风险。经过结构优化后，最高液位得以明显降低，液体溢流的风 险得以消除。
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 - 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。
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。
关键词 海上平台 收集器 气液两相流 OpenFOAM CFD 中国分类号 TE952
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。
（1） 平移运动
涌动（沿 x 方向）: xtrans(t) A xsin(棕xt+渍x) 摇摆（沿 y 方向）: ytrans(t) A xsin(棕yt+渍y) 起伏（沿 z 方向）: ztrans(t) A xsin(棕zt+渍z) （2） 回转运动
（1） （2） （3）
转动（绕 z 轴）: 琢(t) = A 琢sin(棕琢t+渍琢)
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。
表 4 瞬态运动参数
运动
转动（绕 x 轴） 转动（绕 y 轴） 转动（绕 z 轴）
振幅 / （毅） 4 5 4
周期 t / s
11 11 10
相位 渍 / （毅）
0 0 0
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
z
y
x
图 3 6 自由度运动
图 2 收集器模型及网格
比为 11.890 3，最大体积为 5.694 81e-06，最小体积 为 4.01 3 06e-08；非正交性检查通过，网格最大扭曲 为 3.161 48。 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
0
-sin琢 cos琢
0
0
煽衫 衫
杉山 山
cos茁
0
衫山
0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
衫山 衫山 衫山
01
衫山
衫山
1
衫 闪衫
山 删山
-sin茁
0
sin茁
1 煽衫 杉山
衫山
衫山
0
0 衫 山
衫山 衫山
衫山
衫山
cos茁
衫 闪衫
0山
删山
0 cos酌 sin酌
0 x 煽衫 杉山 x 衫 山
衫山 衫山 衫山
-sin酌 y + y 衫 山 衫山 衫山 衫山
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原 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795 632 个网格；网格最大纵横
cos酌 z z 闪衫 删山
煽衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 闪衫
杉山
煽衫
山 山
trans
衫 衫
山
衫
山
衫
山 山
trans
衫 衫
山
衫
山
衫
山
衫
删山 trans 闪衫
（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。
作者简介：卢臣 男 1981 年生 硕士 主要从事计算流体力学及有限元分析方面的工作
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上海化工
第 43 卷
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 棕 和相位为 渍 的正玄曲线运动，棕=2仔/t （t 代表时间周 期），运动形式可以表示如下：