海底不等直径双管线水动力特性的数值研究

发布时间：2020-10-11 07:35

　　 随着社会经济的高速发展、全球经济一体化的影响,人类对海洋的需求和开发力度前所未有,辽阔的海洋日益显得拥挤。最近一、二十年,海底管线有了长足的发展,如海底光缆、海底输油输气管道等。随着海上油田开采方式和技术的发展,海底管线已广泛应用于海上油田的开发,同时关于海底管线的研究也取得了较大的进展。由于海底管线处于悬跨状态是一种比较危险的工作状态,国内外学者对于单根管线悬跨段做了大量的研究工作。但是近年来,出于经济、技术等因素考虑,在实际工程中海底输油气管线有时以不等直径的一子一母(简称子母管)的型式出现,这种结构型式周围的流场形态及其水动力特征与单管情况相比更为复杂。但国内外对于海底不等直径双管线的研究还很少,因此开展对海底不等直径双管线水动力特性的数值研究显得十分必要及紧迫。 本文利用CFD软件Fluent求解器求解不可压缩粘性流体中的Navier-Stokes方程,流体控制方程中动量方程的对流项采用二阶迎风格式离散,对控制方程中的速度和压力的求解则采用了半隐式SIMPLE算法来处理。首先应用所建立的数学模型,对亚临界雷诺数下海底单根管线的水动力特性进行了数值计算,通过与实验结果以及其它数值计算结果的比较验证本文采用的计算方法及计算模型的可靠性。在数学模型得到验证的基础上,对海底串列不等直径双管线的二维不可压缩流动进行了数值模拟。大管直径D比小管直径d为0.5,选取A、B两种工况(工况A：小管置于大管上游,工况B：小管置于大管下游),研究了基于大管雷诺数Re为20000时串列双管在不同间距比(G/D=0.4-3)时的绕流流场、升力系数、阻力系数及St数的变化趋势。计算结果表明：工况A时,大管阻力小于单根大管时的阻力,两管间距越小差值越大,且存在一临界间距使两管涡脱落模式从单体模式转变为相互作用模式；工况B时,小间距时小管阻力呈负值,且两管间距越小负阻力越大,两管涡脱落模式始终呈现单体模式。最后,对海底并列子母管的二维不可压缩流动进行了数值分析。大管直径D比小管直径d为0.2,分析了基于大管雷诺数Re为20000时均匀流中子母管的绕流流场。讨论了不同空隙比(e/D)和间距比(G/D)的影响效应,并将数值结果与当量直径管线的水动力系数比较。数值结果表明：子母管的涡脱落模式受空隙比e/D和间距比G/D的影响,在所计算的所有工况中发现了4种涡脱落模式,且涡脱落模式影响两管受力。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

Fig.1海底管线悬跨段FreesPanPIPeline

式中u是流体时均速度，u:是壁面摩擦速度(u:二(几，/p)l;2)，气，是壁面切应力，妙是到壁面的距离。以Iny十为横坐标矿为纵坐标，壁面区三个子层及核心区的划分可表示在图2一1中。翻创:=2， 5In(臼二尸叻 +5.45一内部边界曰U;=汀:y加/叼\飞叼昵}过渡层}犷丝5厂里60决于雷诺数对数层完全湍流区l爪/:州;图2一1壁面区3个子层的划分与相应的速度 Fig2.1ThreedivisionsaroundthewallandthecorresPondingsPeedk一二湍流模型是高雷诺数湍流模型，只能用于求解处于湍流核心区的流动。因此在近壁区必须采用特殊的处理方法，通常有标准壁面函数法、非平衡的壁面函数法及增强壁面函数法。目前标准壁面函数广泛应用于对实际工程流动的模拟，其思想与实现方法在文献【21」中有详细讲述。对于大多数高雷诺数的边界限制流，边界层标准壁面都能提供准确、合理的预测。但是，当实际流动不满足标准壁面函数所要求的理想状态时，例如巨大的压力梯度导致壁面边界层分离、沿壁面有大量能量耗散等特殊情况下，标准壁面函数就不再可靠而需要改进。增强壁面函数以标准壁面函数为基础

所采用的数值方法对研究海底管线水动力特性问题的可靠性。2.3.1计算模型计算域和边界条件的制定方法如图2.2所示。在直角坐标系下，以管线直径为特征尺度D，D=o.lm，计算区域的展向长度为70D，其中管线上游部分为50D，下游部分ZOD;计算域的展向高度为10D。计算网格采用结构化和非结构化网格配合使用的形式。由于模型的验证是在不同的空隙比e/D下进行的，故验证工况较多，但各工况下网格划分的方法类似，故仅给出海底单根管线在空隙比e/D二0.3时的网格模型(图2.3)。为保证计算精度，在产生涡街的前后区域内使用加密非结构化网格
【参考文献】

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1 王国兴;孙万卿;;近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究[J];海洋工程;2010年01期

本文编号：2836284