隨著社會經濟的高速發(fā)展、全球經濟一體化的影響,人類對海洋的需求和開發(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的發(fā)展,海底管線已廣泛應用于海上油田的開發(fā),同時關于海底管線的研究也取得了較大的進展。由于海底管線處于懸跨狀態(tài)是一種比較危險的工作狀態(tài),國內外學者對于單根管線懸跨段做了大量的研究工作。但是近年來,出于經濟、技術等因素考慮,在實際工程中海底輸油氣管線有時以不等直徑的一子一母(簡稱子母管)的型式出現(xiàn),這種結構型式周圍的流場形態(tài)及其水動力特征與單管情況相比更為復雜。但國內外對于海底不等直徑雙管線的研究還很少,因此開展對海底不等直徑雙管線水動力特性的數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,流體控制方程中動量方程的對流項采用二階迎風格式離散,對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。首先應用所建立的數學模型,對亞臨界雷諾數下海底單根管線的水動力特性進行了數值計算,通過與實驗結果以及其它數值計算結果的比較驗證本文采用的計算方法及計算模型的可靠性。在數學模型得到驗證的基礎上,對海底串列不等直徑雙管線的二維不可壓縮流動進行了數值模擬。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Re為20000時串列雙管在不同間距比(G/D=0.4-3)時的繞流流場、升力系數、阻力系數及St數的變化趨勢。計算結果表明：工況A時,大管阻力小于單根大管時的阻力,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變?yōu)橄嗷プ饔媚Ｊ�；工況B時,小間距時小管阻力呈負值,且兩管間距越小負阻力越大,兩管渦脫落模式始終呈現(xiàn)單體模式。最后,對海底并列子母管的二維不可壓縮流動進行了數值分析。大管直徑D比小管直徑d為0.2,分析了基于大管雷諾數Re為20000時均勻流中子母管的繞流流場。討論了不同空隙比(e/D)和間距比(G/D)的影響效應,并將數值結果與當量直徑管線的水動力系數比較。數值結果表明：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。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：P756.2
【部分圖文】：

Fig.1海底管線懸跨段FreesPanPIPeline

式中u是流體時均速度，u:是壁面摩擦速度(u:二(幾，/p)l;2)，氣，是壁面切應力，妙是到壁面的距離。以Iny十為橫坐標礦為縱坐標，壁面區(qū)三個子層及核心區(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決于雷諾數對數層完全湍流區(qū)l爪/:州;圖2一1壁面區(qū)3個子層的劃分與相應的速度 Fig2.1ThreedivisionsaroundthewallandthecorresPondingsPeedk一二湍流模型是高雷諾數湍流模型，只能用于求解處于湍流核心區(qū)的流動。因此在近壁區(qū)必須采用特殊的處理方法，通常有標準壁面函數法、非平衡的壁面函數法及增強壁面函數法。目前標準壁面函數廣泛應用于對實際工程流動的模擬，其思想與實現(xiàn)方法在文獻【21」中有詳細講述。對于大多數高雷諾數的邊界限制流，邊界層標準壁面都能提供準確、合理的預測。但是，當實際流動不滿足標準壁面函數所要求的理想狀態(tài)時，例如巨大的壓力梯度導致壁面邊界層分離、沿壁面有大量能量耗散等特殊情況下，標準壁面函數就不再可靠而需要改進。增強壁面函數以標準壁面函數為基礎

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

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1 王國興;孫萬卿;;近壁圓柱繞流水動力特性數值模擬與實驗研究[J];海洋工程;2010年01期

本文編號：2836284