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CN111553081B - 基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法 - Google Patents

基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法 Download PDF

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CN111553081B
CN111553081B CN202010358197.1A CN202010358197A CN111553081B CN 111553081 B CN111553081 B CN 111553081B CN 202010358197 A CN202010358197 A CN 202010358197A CN 111553081 B CN111553081 B CN 111553081B
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submarine
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刘俊
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Abstract

本发明公开了一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，包括：采集海底管线长度L以及雷诺数Re，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u；确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸、海底管线与海底面的间隙距离G绘制其物理模型并确定计算域；计算海底管线所受的局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf；根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线悬跨影响系数βCf；根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及影响系数β采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数CD。

Description

基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法
技术领域
本发明涉及海底管线分析技术领域，尤其涉及一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法。
背景技术
海洋油气管道作为连接海上油气平台和陆地设置的脐带线，具有很重要的工程研究意义，海洋油气管道的在位稳定性研究和工程化应用也一直重点和难点。海底悬跨管道是其常见的形式。在洋流作用下的海底悬跨管道常被简化为如图1所述的刚性悬跨管道简图，控制参数有管径D、管长L、间隙比G、以及来流流场信息Re。
然而当前海洋工程中亟需对海底悬跨管道的水动力进行快速计算，确定悬跨管道在特定洋流条件下的拖曳力系数CD和升力系数CL。拖曳力是作用在上图x方向的力，拉力是作用在上图y方向的力。拖曳力系数CD和升力系数CL对于海底悬跨管道的在位稳定性有着很重要的影响，并且影响管道的设计。现有的工程规范和相关设计存在如下问题：1、过于保守，2、忽略了因复杂流场对拖曳力和升力的影响等问题。
另外对于铺设于近岸海域的海底管道，其所受到的流体作用力主要为水流力及波浪力。现行的海底管道稳定性设计主要依据DNV-RF-F109(DNV，2011)。现行设计规范DNV-RF-F109(DNV，2011)将水流(均匀流)和波浪(振荡流)作用下海底管道水动力系数的估算统一为在不同波浪条件作用下的海底管道受力。间隙比、边界层厚度和湍流度等影响因素都被量化折减为一系列相对应的工程参数。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，具体包括如下步骤：
采集海底管线长度L以及雷诺数Re，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u；
确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸、海底管线与海底面的间隙距离G绘制其物理模型并确定计算域；
计算海底管线所受的局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf；
根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线悬跨影响系数β；
根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及影响系数β采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数CD。
进一步的，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，在仿真软件中设置水下实际环境参数，采用k-ε模型计算洋流以不同速度即雷诺数Re工况下海底管线近壁面产生的近壁面流速u。
进一步的，所述海底管线悬跨影响系数β采用如下方式获取：
对海底管线悬跨段的网格进行划分以及设置其边界条件：其中悬跨段计算域采用混合网格划分，悬跨段壁面区域采用非结构化网格；其他区域采用结构化网格，将其他区域设置为静止区域，将其他区域入口设置为速度入口条件、其出口设置为压力出口条件；
在仿真软件中将所述近壁面流速u作为海底管线悬跨段的入口速度，采用k-ε模型计算出管线绕流速度u对应的海底管线悬跨影响系数β的离散值。
进一步的，获取海底管线的物理模型时：其中计算域中临近海底管线壁面1/5至2/5计算域半径的区域内采用非结构化网格，其他区域采用结构化网格；将计算域的入口设置为速度入口条件,管线及海床底面设置为固壁面，计算域的出口设置为压力出口条件。
进一步的，所述局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf采用如下方式获取：设洋流与海底管线垂直方向之间的夹角为θ，顺时针为正、逆时针为负，则沿洋流方向和垂直于海底管线方向远离海床面的海流速度分别为ucosθ和usinθ；通过压力系数算法和壁面摩擦系数算法计算获取局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf。
进一步的，计算拖曳力系数CD时：在大悬跨海底管线的多种设定阈值范围内、基于不同的雷诺数Re分别计算拖曳力系数CD；
当L/D<5时:
当20>L/D>5时：
当L/D>20时:
其中：CL为升力系数、Cp-y为y向压力系数分量、Cf-y为y向壁面摩擦系数分量、a为升力安全系数；当20>L/D>5,a取1.5；当L/D>5时，a取1.2；β为悬跨影响系数，A为等效截面面积，ρ为水密度、D为管线半径。
与现有技术相比，本方法考虑了Re数的影响，拖曳力危机现象发生时出现的CD为拖曳力系数峰值谷值也被该方法考虑在内，考虑了大间隙比情况下，海床和管道壁面边界层之间相互作用对于管道受力的影响。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，该方法采用仿真软件对悬跨海底管线的水动力进行分析，并基于各种成熟的数值解算模型，因此能够有效预测悬跨管道的水动力变化，而且通过网格无关性验证技术与网格自适应技术能高精度的推算出悬跨海底管线在海床上所受到的的水动力系数。而现有的通过敞水实验获得悬跨管道的水动力的方法是在室内水池中进行，无法考虑深海实际海水密度、压强、海流等因素的影响。除此之外，该发明不需要深海实测数据，因此本发明公开的方法克服了采用参数辨识方法获得悬跨管道的水动力系数困难。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中背景技术刚性悬跨管道示意图；
图2为本发明中大悬跨海底管线物理模型和计算域示意图；
图3为本发明中通过仿真软件计算得到管线壁面局部摩擦系数Cf；
图4为本发明中通过仿真软件计算得到局部管线压力系数CP；
图5为本发明中海底管线悬跨段物理模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
本发明公开的一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，具体采用如下步骤：
如图2所示：S1:采集海底管线悬跨长度L以及雷诺数Re，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，具体包括如下细节：采集采集海底管线长度L以及雷诺数Re，其中Re＝UD/ν，其中ν为水的粘性系数(常量)。
S2:确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸、海底管线与海底面的间隙距离G绘制其物理模型并确定计算域：
S21：海底管线计算域的网格划分和边界条件设置过程为：计算域中临近海底管线壁面1/5至2/5计算域半径的区域内采用非结构化网格，其他区域采用结构化网格；将计算域的入口设置为速度入口条件,管线及海床底面设置为固壁面；计算域出口设置为压力出口条件；
S22：计算特定工况下海底管线近壁面流速u:在仿真软件中设置水下实际环境参数，采用k-ε模型计算出洋流以不同速度(即雷诺数Re)工况下海底管线近壁面产生的近壁面流速u。
S3:计算海底管线所受的局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf：假设洋流与海底管线垂直方向之间的夹角为θ，顺时针为正，逆时针为负，则沿着洋流方向和垂直于海底管线方向远离海床面的海流速度分别为ucosθ和usinθ；可通过压力系数算法和壁面摩擦系数算法计算得出局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf。
S4:根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线悬跨影响系数β：
S41:确定海底管线悬跨段的物理模型和计算域：模型简图如图3，根据悬跨段的实际尺寸以及海底管线与海底面的间隙距离G，绘制其物理模型，并确定计算域；
S42:对于悬跨段的网格划分和边界条件设置为：悬跨段计算域采用混合网格划分，悬跨段壁面区域采用非结构化网格；其他区域采用结构化网格,且其他区域设置为静止区域；将其他区域入口设置为速度入口条件，其他区域出口设置为压力出口条件；
S43:考虑绕流流速对海底管线底端系数Ω的影响，在仿真软件中将步骤S14中计算出的近壁面流速u作为海底管线悬跨段的入口速度，采用k-ε模型计算出管线绕流速度u对应的海底管线底端系数Ω的离散值。
S5：根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及影响系数β采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数CD
其中将大悬跨海底管线的多种设定阈值范围进行详细的表格划分、基于不同的雷诺数Re取值，采用不同的计算方式，具体表格为表1所示：
表1
则参考公式为：
当L/D<5时：即C1：
当20>L/D>5时，
当L/D>20时
A1
A3
其中：CD为拖曳力系数、Cp-y为y向压力系数分量、Cf-y为y向壁面摩擦系数分量；海底管线底端系数Ω，A为等效截面面积，ρ为水密度、D为管线半径。L管线悬跨长度、Re为雷诺数、Re＝uD/ν其中ν为水的粘性系数(常量)
实施例：
采集海底管线悬跨长度L＝10m，海底管线直径D＝2.3m，间隙比为G为G＝3m，采用仿真环境为海平面下100m处，海水压强为10atm，密度为1025kg/m3，水动力粘度为0.01674N-s/m2，洋流速度为U＝0.03m/s，雷诺数Re为3.01*105。Re＝UD/ν，其中ν为水的粘性系数(常量)。
S1:计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u
S11:确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸以及海底管线与海底面的间隙距离G，采用GMSH绘制其物理模型，如图2所示，并确定计算域。
S12:船身海底管线的网格划分和边界条件设置：通过网格无关性验证，最终确定海底管线计算域中临近海底管线壁面100mm的区域内采用非结构化网格，网格大小为2,其他区域采用结构化网格，网格大小为2.2。将入口设置为速度入口条件，管线表面设置为固壁面，出口为压力出口条件。
S13:在FLUENT中设置水下实际环境参数，计算特定工况下海底管线近壁面流速u，以及算海底管线所受的局部压力系数CP(如图4所示)和局部壁面摩擦系数Cf(如图3所示)。
S2:计算海底管线海底管线底端系数Ω；
S21:确定海底管线悬跨段的物理模型和计算域:根据海底管线悬跨段的实际尺寸采用SolidWorks绘制其物理结构，导入GMSH划分网格。悬跨段计算域采用混合网格划分，悬跨段壁面区域采用非结构化网格；其他区域采用结构化网格,且其他区域设置为静止区域；将其他区域入口设置为速度入口条件，其他区域出口设置为压力出口条件；
S22在FLUENT中设置步骤1中中计算出的近壁面流速u作为海底管线悬跨段的入口速度，采用k-ε模型计算出管线绕流速度u对应的海底管线海底管线底端系数Ω的离散值。
S3:根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及海底管线底端系数Ω采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大间隙影响因素下的海底管道升力系数CL。
S4:通过采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数CD与目前DNV-RF-F109规范结果比较,现行DNV-RF-F109规范不考虑拖曳力系数CD的影响，然而根据本发明求解出的CL为0.37，全面考虑了大悬跨海底管线摩擦稳定性的影响。
本方法与现有技术相比考虑了海流对海底管线悬跨段的影响，在特定海况下，悬跨段的存在会产生强烈的流场干扰，并对水动力系数产生重要影响。所以这一考虑也有效地提高了海底管线悬跨段水动力模型的准确性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，其特征在于包括：
采集海底管线长度L以及雷诺数Re，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u；
确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸、海底管线与海底面的间隙距离G绘制其物理模型并确定计算域；
计算海底管线所受的局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf；
根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线悬跨影响系数β；
根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及影响系数β采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数CD；
其中将大悬跨海底管线的多种设定阈值范围进行详细的表格划分、基于不同的雷诺数Re取值，采用不同的计算方式，具体表格如下所示：
则参考公式为：
当L/D<5时：即C1：
当20>L/D>5时，
B1：
B3：
当L/D>20时
A1：
A3：
其中：CD为拖曳力系数、Cp-x为x向压力系数分量、Cf-x为x向壁面摩擦系数分量；海底管线底端系数Ω，A为等效截面面积，ρ为水密度、D为管线半径，L管线悬跨长度、Re为雷诺数、Re＝uD/ν其中ν为水的粘性系数。
2.根据权利要求1所述的基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，其特征还在于：计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，在仿真软件中设置水下实际环境参数，采用k-ε模型计算洋流以不同速度即雷诺数Re工况下海底管线近壁面产生的近壁面流速u。
3.根据权利要求1所述的基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，其特征还在于：所述海底管线悬跨影响系数β采用如下方式获取：
对海底管线悬跨段的网格进行划分以及设置其边界条件：其中悬跨段计算域采用混合网格划分，悬跨段壁面区域采用非结构化网格；其他区域采用结构化网格，将其他区域设置为静止区域，将其他区域入口设置为速度入口条件、其出口设置为压力出口条件；
在仿真软件中将所述近壁面流速u作为海底管线悬跨段的入口速度，采用k-ε模型计算出管线绕流速度u对应的海底管线悬跨影响系数β的离散值。
4.根据权利要求1所述的基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，其特征还在于：获取海底管线的物理模型时：其中计算域中临近海底管线壁面1/5至2/5计算域半径的区域内采用非结构化网格，其他区域采用结构化网格；将计算域的入口设置为速度入口条件,管线及海床底面设置为固壁面，计算域的出口设置为压力出口条件。
5.根据权利要求1所述的基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，其特征还在于：所述局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf采用如下方式获取：设洋流与海底管线垂直方向之间的夹角为θ，顺时针为正、逆时针为负，则沿洋流方向和垂直于海底管线方向远离海床面的海流速度分别为ucosθ和usinθ；通过压力系数算法和壁面摩擦系数算法计算获取局部压力系数CP和局部壁面摩擦系数Cf。
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