内流对海底悬跨管线管壁应力影响的数值研究

论文摘要

处于悬跨状态的海底管道及其内部流体构成一个耦合系统,内部流体对管线变形、固有频率和管壁应力都有影响。为了研究内流对管线的这些影响,本文针对两端铰支水下输油管道,分别采用三维弹性动力学方程和N-S方程模拟管道与内部流体。基于ADINA有限元计算软件,管线采用壳模型单元离散,内部流体采用四面体4节点单元离散。通过在流固边界上反复迭代,实现管线及内部流体系统的三维流固耦合计算。在数值计算得到的管线耦合系统的固有频率与Housner方程的理论解进行了比较的基础上,探讨了不同内流流速对不同跨长、管径管线管壁应力的影响,内部流体密度对管线管壁应力的影响,以及考虑管线外壁水压力作用的计算结果与通常假定管线在空气中的计算结果的差别。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 2 悬跨管线流固耦合数学模型的建立
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 管线的控制方程
• 2.1.2 内部流体的控制方程
• 2.1.3 边界条件
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 有限元离散
• 2.2.2 迭代过程
• 3 悬跨管线流固耦合数学模型验证
• 3.1 Housner方程理论解
• 3.2 模型的验证
• 3.2.1 管线固有频率
• 3.2.2 管线变形
• 4 内流对悬跨管线管壁应力影响的数值模拟
• 4.1 跨长的影响
• 4.1.1 管壁应力分量
• 4.1.2 管壁有效应力
• 4.2 管线管径的影响
• 4.2.1 管内流速分布
• 4.2.2 管内流体压强分布
• 4.2.3 应力结果
• 4.3 管内油品的影响
• 4.3.1 管内流速分布
• 4.3.2 管内流体压强分布
• 4.3.3 应力结果
• 4.4 静水压力荷载的影响
• 4.4.1 计算方法
• 4.4.2 静水压力荷载对应力的影响
• 结论
• 参考文献
• 附录A Housner方程的推导
• 附录B ADINA建模的过程
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢