海洋串列立管绕流流场参数分析.pdfVIP

51卷增刊2 中 国 造 船 V01．51 2 Special 2010年12月 SHIPBUILDING0FCHINA Dec．20lO 文章编号：1000--4882(20iO)S2．021．07 海洋串列立管绕流流场参数分析 盛磊祥1，_，陈国明1，许亮斌2 (1．中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心，东营257061；2．中海油研究总院，北京100027) 摘要 利用流体动力学方法，分析串列布置立管流场特征，研究雷诺数和串列立管问距对流场的影响，分析 上游和下游立管流场参数，包括升力系数．曳力系数，斯特劳哈数等变化规律，并与孤立立管流场参数进 行对比。分析发现由于处于上游立管的尾流低压区，下游立管尾流压力相对升高，曳力系数较小，甚至出 现负值；当立管间距较大时，上游立管尾流的周期性变化造成下游立管迎流面压力波动，因此除了传统的 横向涡激振动之外，下游立管流向也会产生周期性振动的现象． 关 键 词：串列立管；升力系数；曳力系数；涡激振动；CFD 0引言 海上油气开发过程中需要布置大量立管，各立管绕流流场之间相互影响，流场参数与孤立立管结 构差异较大【l】，在对立管结构、涡激振动和疲劳分析过程中，流场参数却仍采用孤立立管流场参数12|， 导致分析结果的准确性较差。立管在海流作用下容易产生涡激振动，引起结构破坏，涡激振动是立管 失效的重要因素【3--6]。目前涡激振动分析并没有考虑相邻立管流场之间的相互作用，一般按照孤立立 管流场特征参数(升力系数、曳力系数、斯特劳哈数)对结构强度、涡激振动响应和疲劳进行分析计算 pj，计算结果可靠性较差。串列布置是立管群布置的基本形式，本文采用流体动力学数值试验方法， 研究串列立管流场之间的相互作用，探讨串列布置立管流场参数变化规律，为串列立管涡激振动分析 提供必要的水力参数。 1 串列立管绕流流场结构 1．1控制方程模型 连续性方程和运动方程是流场控制基本方程，结合具体边界条件和初始条件使得方程封闭，求解 得到具体流场分布情况。对于二维平面势流问题，不考虑流体轴向运动，忽略海水可压缩性，以及海 水运动过程中热量传递和气泡的产生，利用经典的流体动力学控制方程即可得到流场参数f8】。 将任意时刻流体控制方程解得的压力p(t)分别沿结构壁面纵向和横向积分，再进行无量纲化得到 瞬态曳力系数和升力系数表达式pJ： Ip(t)sinadA 。土1l——■一 (1)”’ 以垆嚣 ip虬2 基金项目：凼家科技重大专项课题“深水油气田开发钻完井工程配套技术”(2008ZX05026．001-07)； 国家高技术研究发展计划(863)课题(2006AA09A106-4)． 郇卜嚣2警≮幽j 毛幽j ”㈣ 日 幽I巾州口恃流场区域乖麝阿 为r减小边界祭什列矗管绕流流场的影响．模型米流八u边界、上下边界．与立符的距离要足够 太”“，至少8D，为了俅证尼流充分发肥．减小出口边界对尾流状卷的影响．诧流出口距离立管堑少 l 5D。 02X10’，510X105，102×106，立管间距仨l2D、 计算条件：海水常度p=1025kg／m3，甫诺数船=l 】4D、】5D、20D、25D、3OD，5 OD。本文重点分析屯管间距、甜诺数对上游立管和下游兜管流场 参数(包括升力系数d、生力系数“、