海底串列不等直径双管线水动力特性的数值的研究.pdfVIP

V01．52 2 52卷增刊2 中 国 造 船 Special 201】年9月 SHIPBUILDJNGOFCHINA Sep．201l 1)S2—0012-09 文章编号：1000．．4882(201 海底串列不等直径双管线水动力特性的数值研究 周 叶，王永学，王国玉 16023) (大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连1 捅要 应用有限体积法姑合标准湍流模型，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．设置了小管在大管的上游和小管在大管的下游这两种工况，研究Re=20000时，串列双管在不同间距比 (G／DO．4—3)时的绕流流场、升力系数．阻力系数及数的变化趋势．计算结果表明：当小管位于大管上 游时，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，使两管的涡脱落 模式从单体模式转变为相互作用模式；当小管位于大管下游时，小间距时小管的阻力呈负值，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． 关 键 词：海底串列双管线；不等直径；升力系数；阻力系数；涡脱落 0引言 管线运输是油气运输中最快捷、经济、可靠的储运方式。海底管道作为海洋油气资源开发中的物 质输送通道，是海洋油气生产系统的关键部分。安置在海床的管线，在波浪、海流的冲刷下或是由于 海底地形不平整等因素出现悬空，进而出现强度、疲劳等破坏。出于技术、经济等因素考虑海底管线 出现一种新的结构形式：由一大一小两不等直径圆管组成的海底管线，俗称子母管，其流场特性又更 为复杂。因此，对海底不等直径管线水动力特性的研究具有重要的工程意义。 Oner[1】等对海底单根管线进行了实验研究，实验数据表明影响管线周围流场形态的因素主要是空 隙比e／D(P为管线最下端与海底面的距离，D为管线直径)。当空隙比小于O．2时，漩涡脱落受到抑 制；当空隙比大于0．2时，观察到了规则的涡街现象；当空隙比大于等于1时，海底面的约束作用变 AJ(oz【2】等用有限元法，分别结合标准k一占、标准k一国和 得微乎其微。在空隙比为0时，M．Sami SSTk～CO三种湍流模型，求解二维N．S方程，将管线周围速度分布、上下游分离长度的数值结果与 实验结果作了定量比较。目前，对近壁面不等直径双管水动力特性的数值研究比较少。仅有Zha013l等 人用有限元法求解二维N．S方程，研究了不同空隙比e／D和不同间距比G／D(G为两管线间距)情况 下海底并列子母管的漩涡脱落，发现了四种不同的脱落形态。 基于以上论述，本文对海底两串列不等直径管线的水动力特性开展研究。利用Fluent软件，采用 有限体积法对基于标准k一占湍流模型的二维N．S方程进行离散，数值模拟了Re=2x10时双管在不 同间距比G／D下管线的绕流流场，并分析双管的升力系数、阻力系数及数的变化趋势。 1 数学模型 1．1控制方程 基金名称：国家自然科学基金创新研究群体科学基金 52卷增刊2 周 叶，等：海底串列小等直径舣管线水动力特性的数值研究 13 描述不可压缩粘性流体运动的雷诺平均N．S方程组可表示如下： 丝=o aXi ‘ 警心考一毒cp+争+毒c去考+2V岛， (2) 式中：角表i表示坐标分量，U，为z方向的流体运动速度分量，P为压力，k为湍动能，，为时间， Re=UoD／v表