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海底管道周围水沙运动机理数值模拟 单丹丹 张洪雨 （哈尔滨工程大学 哈尔滨 150001） 摘要：目前，海底管道的埋设出现一种新方法——即在管道上方加载阻流器，以实现其自埋。本文利用FLUENT软件进行数值模拟，运用水沙两相流模型来模拟有无阻流器海底管道周围的水沙分布情况，流线分布情况以及管道下方某一监控面的流速变化情况，从而说明阻流器对海底管道自埋的促进作用。 关键词：海底管道 水沙运动 自埋 阻流器 数值模拟 引言 随着近海石油开发规模的不断扩大和发展，尤其是油气混输技术的成熟和应用，采用管网方式输送取得了良好的经济效益。在整个渤海湾地区的海上油气勘探开发中，已铺设了几百公里的海底管道，形成了纵横交错的海底输油网[1]。目前国内外广泛利用铺管船进行海底管道的铺设，在管道的铺设过程中，主要采用挖沟和回填这两项关键工序，它们将直接影响海底管道的安全运行。由于此种方法要用到水下挖沟机，其价格一般都在2000万元人民币左右[2]，为寻求一种经济有效的铺设方法，目前国内外都在研究采用加载阻流器来实现海底管道的自埋。自从英国1988年首次运用自埋技术铺设海底管道以来，至今，国内外采用此项技术铺设的海底管道已有数百公里，均取得了良好的效果[3]。国外研究人员对带阻流板的海底管道进行了绕流流场的试验和理论分析，研究了稳态条件下带阻流板海底管道的表面压力分布和阻流板结构引起的海流对海底的剪切作用[4]，由于目前国内尚无针对带阻流板的海底管道管跨结构的流体动力学分析和现场试验，鉴于国外对阻流板的应用经验和研究进展，为促进阻流板在海底管道铺设工程中的应用，有必要对海底管道特别是加载阻流器海底管道自埋机理进行研究，以实现自埋技术得以在我国广泛运用。 加载阻流器的海底管道自埋机理 由于在管道上方安装类似鱼“鳍”的阻流板，当海底管道垂直于海水的流动方向时，海水受到阻流板的阻挡会改变流动方向产生涡流，钢管下方的海水受到挤压，其流动速度会增大，海水会冲刷管道底部的土壤，将淤泥带走，利用管道的自重和阻流板产生的动力，将管道逐步压入海底土壤中，直至埋设到管径的1～1.5倍的深度，最终会将“鳍”也埋设到海底。阻流板自埋挖沟原理见图1，海底管道自埋过程见图2。在管道运行过程中，管道周围海床若有变化，管道上的“鳍”将会继续发挥作用，一如既往地自动调节管道的埋设深度[5]。 本文从流体力学和泥沙运动力学的角度出发，利用数值计算方法，对比分析了有无阻流器的海底管道周围水沙两相流的运动情况，管道周围流线分布情况以及管道下方某一监控面的流速变化情况，从而得出阻流器对海底管道自埋作用的影响。 应用FLUENT进行海底管道周围水沙运动数值模拟 3.1 模型的建立 用FLUENT[6]模拟海流对有无阻流器的海底管道进行冲刷，研究水沙两相流的流态变化以及管道下方流速的情况。在本次模拟中，只考虑海流的作用，波浪和风的作用忽略不计。在计算模型中，管道直径D=800mm，计算域在水流方向上的长度为25D=20m，沙土层厚度2m，上层为自由水流，阻流板的高度设为D/4=200mm，入口流速0.1m/s，如图3所示。 图3 计算模型图 本次模拟应用欧拉两相流模型，水的物理参数从FLUENT自带的材料库中获得，其密度为998.2kg/m3，粘度为0.001003kg/(m﹒s)，创建沙的材料，命名为sand，材料类型为fluid，密度为2500kg/m3，粘度为10kg/(m﹒s)。网格划分采用不规则的四边形网格，对于未加阻流器的管道，模型中只需以外方框边界和管道为边进行边网格划分，再以平铺的方式实现面的网格划分，对于加载阻流器的管道，除了上面的边以外，还要另加一条阻流器边，也要对该边进行网格划分，然后在这些边构成的面上，以平铺的方式来实现面网格的划分，如图4。此外，泥沙的加载运用FLUENT中的Patch命令来实现。 3.2 结果分析 本文的计算将时间步长设置为0.001s，以迭代2000步时的结果，对有无阻流器的海底管道进行对比分析，研究水沙分布、流线图以及管道下方某一监控面的流速变化情况，说明阻流器对海底管道自埋的促进作用。 3.2.1水沙分布 图5所示为未加阻流器和加载阻流器的海底管道周围水沙分布图，由水沙分布图可以看出：未加阻流器的管道周围泥沙大部分被带到上游入口，并在下游出现沙波，使管道裸露于海床上；而加载阻流器的管道周围泥沙大部分集中在下游，并且上游泥沙状态平稳，使管道被后方泥沙所覆盖。 由此说明，由于阻流器的存在，会使水流更剧烈的冲刷海底管道，而在管道后方造成泥沙的堆积，将管道进行埋没，能明显的加快管道的自埋效果。 3.2.2流线图 图6所示为未加阻流器和加载阻流器的海底管道周围流场分布情况，由流线分布图可以看出：未加阻流器的管道周围水流主要绕过管