海底不等直径双管线水动力特性的数值研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势
• 1.2.1 单根管线
• 1.2.2 不等直径双管线
• 1.3 商用CFD软件简介
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 数值计算方法及其模型验证
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 壁面函数
• 2.2.3 数值求解方法
• 2.3 数值方法的验证
• 2.3.1 计算模型
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.3 数值方法
• 2.3.4 参数定义
• 2.3.5 数值计算结果及分析
• 2.4 本章小结
• 3 海底串列不等直径双管线水动力特性的数值研究
• 3.1 数学模型
• 3.2 数值结果分析
• 3.2.1 流场涡结构分析
• 3.2.2 管线升力、阻力特性研究
• 3.2.3 涡脱频率
• 3.3 本章小结
• 4 海底并列子母管线水动力特性的数值研究
• 4.1 数学模型
• 4.2 数值结果分析
• 4.2.1 子母管的流场涡结构分析
• 4.2.2 子母管升力、阻力特性研究
• 4.2.3 子母管的力系均方差系数
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢