隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、全球經(jīng)濟(jì)一體化的影響,人類對(duì)海洋的需求和開發(fā)力度前所未有,遼闊的海洋日益顯得擁擠。最近一、二十年,海底管線有了長(zhǎng)足的發(fā)展,如海底光纜、海底輸油輸氣管道等。隨著海上油田開采方式和技術(shù)的發(fā)展,海底管線已廣泛應(yīng)用于海上油田的開發(fā),同時(shí)關(guān)于海底管線的研究也取得了較大的進(jìn)展。由于海底管線處于懸跨狀態(tài)是一種比較危險(xiǎn)的工作狀態(tài),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于單根管線懸跨段做了大量的研究工作。但是近年來,出于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素考慮,在實(shí)際工程中海底輸油氣管線有時(shí)以不等直徑的一子一母(簡(jiǎn)稱子母管)的型式出現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)型式周圍的流場(chǎng)形態(tài)及其水動(dòng)力特征與單管情況相比更為復(fù)雜。但國(guó)內(nèi)外對(duì)于海底不等直徑雙管線的研究還很少,因此開展對(duì)海底不等直徑雙管線水動(dòng)力特性的數(shù)值研究顯得十分必要及緊迫。 本文利用CFD軟件Fluent求解器求解不可壓縮粘性流體中的Navier-Stokes方程,流體控制方程中動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散,對(duì)控制方程中的速度和壓力的求解則采用了半隱式SIMPLE算法來處理。首先應(yīng)用所建立的數(shù)學(xué)模型,對(duì)亞臨界雷諾數(shù)下海底單根管線的水動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及其它數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較驗(yàn)證本文采用的計(jì)算方法及計(jì)算模型的可靠性。在數(shù)學(xué)模型得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,對(duì)海底串列不等直徑雙管線的二維不可壓縮流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。大管直徑D比小管直徑d為0.5,選取A、B兩種工況(工況A：小管置于大管上游,工況B：小管置于大管下游),研究了基于大管雷諾數(shù)Re為20000時(shí)串列雙管在不同間距比(G/D=0.4-3)時(shí)的繞流流場(chǎng)、升力系數(shù)、阻力系數(shù)及St數(shù)的變化趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果表明：工況A時(shí),大管阻力小于單根大管時(shí)的阻力,兩管間距越小差值越大,且存在一臨界間距使兩管渦脫落模式從單體模式轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷プ饔媚Ｊ�；工況B時(shí),小間距時(shí)小管阻力呈負(fù)值,且兩管間距越小負(fù)阻力越大,兩管渦脫落模式始終呈現(xiàn)單體模式。最后,對(duì)海底并列子母管的二維不可壓縮流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析。大管直徑D比小管直徑d為0.2,分析了基于大管雷諾數(shù)Re為20000時(shí)均勻流中子母管的繞流流場(chǎng)。討論了不同空隙比(e/D)和間距比(G/D)的影響效應(yīng),并將數(shù)值結(jié)果與當(dāng)量直徑管線的水動(dòng)力系數(shù)比較。數(shù)值結(jié)果表明：子母管的渦脫落模式受空隙比e/D和間距比G/D的影響,在所計(jì)算的所有工況中發(fā)現(xiàn)了4種渦脫落模式,且渦脫落模式影響兩管受力。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：P756.2
【部分圖文】：

Fig.1海底管線懸跨段FreesPanPIPeline

式中u是流體時(shí)均速度，u:是壁面摩擦速度(u:二(幾，/p)l;2)，氣，是壁面切應(yīng)力，妙是到壁面的距離。以Iny十為橫坐標(biāo)礦為縱坐標(biāo)，壁面區(qū)三個(gè)子層及核心區(qū)的劃分可表示在圖2一1中。翻創(chuàng):=2， 5In(臼二尸叻 +5.45一內(nèi)部邊界曰U;=汀:y加/叼\飛叼昵}過渡層}獷絲5廠里60決于雷諾數(shù)對(duì)數(shù)層完全湍流區(qū)l爪/:州;圖2一1壁面區(qū)3個(gè)子層的劃分與相應(yīng)的速度 Fig2.1ThreedivisionsaroundthewallandthecorresPondingsPeedk一二湍流模型是高雷諾數(shù)湍流模型，只能用于求解處于湍流核心區(qū)的流動(dòng)。因此在近壁區(qū)必須采用特殊的處理方法，通常有標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、非平衡的壁面函數(shù)法及增強(qiáng)壁面函數(shù)法。目前標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)廣泛應(yīng)用于對(duì)實(shí)際工程流動(dòng)的模擬，其思想與實(shí)現(xiàn)方法在文獻(xiàn)【21」中有詳細(xì)講述。對(duì)于大多數(shù)高雷諾數(shù)的邊界限制流，邊界層標(biāo)準(zhǔn)壁面都能提供準(zhǔn)確、合理的預(yù)測(cè)。但是，當(dāng)實(shí)際流動(dòng)不滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)所要求的理想狀態(tài)時(shí)，例如巨大的壓力梯度導(dǎo)致壁面邊界層分離、沿壁面有大量能量耗散等特殊情況下，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)就不再可靠而需要改進(jìn)。增強(qiáng)壁面函數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)為基礎(chǔ)

所采用的數(shù)值方法對(duì)研究海底管線水動(dòng)力特性問題的可靠性。2.3.1計(jì)算模型計(jì)算域和邊界條件的制定方法如圖2.2所示。在直角坐標(biāo)系下，以管線直徑為特征尺度D，D=o.lm，計(jì)算區(qū)域的展向長(zhǎng)度為70D，其中管線上游部分為50D，下游部分ZOD;計(jì)算域的展向高度為10D。計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格配合使用的形式。由于模型的驗(yàn)證是在不同的空隙比e/D下進(jìn)行的，故驗(yàn)證工況較多，但各工況下網(wǎng)格劃分的方法類似，故僅給出海底單根管線在空隙比e/D二0.3時(shí)的網(wǎng)格模型(圖2.3)。為保證計(jì)算精度，在產(chǎn)生渦街的前后區(qū)域內(nèi)使用加密非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王國(guó)興;孫萬卿;;近壁圓柱繞流水動(dòng)力特性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J];海洋工程;2010年01期

本文編號(hào)：2836284