海上平台直升机甲板周边流场影响分析

随着海洋石油行业的不断发展，海上作业的安全性越来越受到人们的重视。海上直升机是海上石油平台正常运行的一种交通工具，供其降落及起飞的直升机甲板的设计在整个海洋平台的设计中是必不可少的环节。直升机甲板一般布置在整个平台的上部模块，油气生产及处理过程中，平台上部模块的主电站等设施高温烟气的排放及周围高大设备的布置，对直升机在甲板附近的安全起降存在潜在的危害。因此，在整个平台的工程设计中，海上直升机甲板的合理布置关乎直升机的作业安全。

直升机起降安全影响因素

直升机从平台起降的过程中，其受环境条件影响的因素主要包括：湍流和高温烟气。

•  高大设备设施后形成的尾涡对直升机甲板的影响

环境气流流过整个平台，干扰平台周边的流场，特别是在经过上层甲板的高大设备后形成湍流，对直升机安全操作产生影响。当大气以较高的流速流过高大的设备后，其后方会形成较大面积的“尾涡”，在该区域内气流较混乱，湍流度较大。当直升机飞入该区域，会造成类似高速飞行时产生的激波，影响飞机的正常推力，造成动力下降。

•  燃气透平/火炬排出热烟气的影响

平台上排放的高温烟气会造成周围环境温度的升高，空气相对密度小，作用于直升机转轴本身升力减小。同时，直升机发动机吸入的空气和油混和后燃烧不充分，造成功率下降，快速的温度变化也会导致发动机喘振，甚至压缩机停转或熄火。

标准规范

英国标准CAP437作为评估分析直升机甲板安全操作比较权威性的标准规范，其对直升机甲板周围的湍流及高温烟气进行条件限定。根据CAP437的判定准则，在直升机甲板上部区域，湍流和烟气温度应满足一下条件：

• 湍流的限定：在直升机起飞和降落的区域内，竖直方向速度的标准偏差不能超过1.75 m/s。

• 烟温的限定：在直升机起飞和降落的区域内，平均3s时间间隔内的最大温升不能超过环境温度2℃。

仿真计算

• 模型建立

海上平台的几何模型考虑了所有显著影响流场的结构。网格划分采用四面体网格形式，约二百万个单元。

• 湍流影响计算

对于湍流的影响分析，需要对平台各个角度方向选择代表风向进行研究。

在CAP437中，将竖直方向速度的标准偏差作为评判湍流的的关键参数，在实际的CFD计算中，可采用湍动能k来表示湍流的脉动特性。

• 烟气扩散计算

对于烟温扩散的分析，主要考虑环境风向决定髙温烟气扩散的主要方向，大部分烟气都是沿下风向扩散，一般而言，从排烟管到直升机甲板中心的方向为关键风向。

评估分析

通过分析温升和湍流计算结果，将不符合标准规范CAP437的计算结果体现在项目所给的风向及风速联合分布概率表中，最终得到直升机飞行的年不可用概率。

通过判断直升机飞行的年不可用概率是否可接受，来决定直升机甲板的布置是否合理。如果直升机的年不可用概率在工程中可以接受，那么说明直升机甲板的布罝合理，可以开展下一阶段的工程设计。如果直升机飞行的年不可用概率不能接受，则需提出相关的优化推荐做法，并进行相关的预测验证，最终得到直升机甲板合理的布置方案。

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