海流引起海底管道悬空的数值模拟.pdf

维普资讯 46卷 增刊 中 国 造 船 Vo1．46 Special 2005年 11月 SH lBUⅡ删 GOFCH田NA NOV．2oo5 文章编号；1000．4882(2005)S．0221．06 海流引起海底管道悬空的数值模拟 杨兵 ，高福平 ，吴应湘 ，周柳燕 ，张运斋。 1．中国科学院力学研究所工程科学研究部，北京 100080；2．吉林省通化市广播电视大学， 吉林 通化；3．中国人民解放军总参干部培训基地，北京 10003(0 摘 要 海底管道悬跨将影响管道的安全运营。在海底管道稳定性设计中，需要合理分析具有初始嵌入深度的 海底管道产生悬空的物理机制。本文对海流作用下铺设于砂质海床上的海底管道悬空进行了数值模拟 求 解不可压缩流体N-S方程，分析了海流作用下管道周围的流场特性，研究了管道两侧的压力分布特性和海 床表面剪应力的分布特点 在管道绕流流场分析的基础上，通过对土体渗流方程的求解，得到了管道周围 砂质海床内的渗流场以及渗流水力梯度场的分布情况。与海床表面剪应力计算结果进行比较分析发现，管 道下方渗流出口处土体的流土渗透破坏将诱导管道发生悬空。 关 键 词：海底管道；悬空：海流；渗流；数值模拟 1 引 言 在海洋油气开采中，海底管道是输送油气的有效工具。然而，屡屡发生的海底管道断裂事故不仅 造成了巨大的经济损失，油气泄漏也造成了严重的海洋环境污染】【】。合理分析管道在复杂海洋环境下 的稳定性，确保海底管道的安全运营，是海洋油气开采中的一个关键问题。 在海流等海洋环境载荷的作用下，海底管道有时将产生悬跨 】【-2】。如果悬跨足够长，管道变形和 内部应力幅值将增大；在一定条件下，管道还可能产生涡激振动，严重时将导致管道断裂口】。海底管 道悬跨的产生是海底管道安全运营的潜在隐患。因此，海底管道设计中需正确分析海底管道产生悬空 的原因和条件。 近年来，海底管道悬空机理研究受到国内外学者和工程师的关注，如Mao(1988)t4]．Chiew(1990)J、 Sumeret~(2ooo)】。但已有的研究工作主要是基于模型实验的定性分析。本文将从数值模拟角度分析 海床表面剪应力、管道前后压差和砂质海床内渗流场的分布特点，进一步探讨海流引起的海底管道悬 空的物理机制。 2数值计算模型 2．1控制方程 假定海流方向垂直于管道轴线且沿管道轴线均匀，此时可按平面二维问题处理，如图l所示。利 用不可压缩N—s方程描述海流运动，连续方程和动量方程的雷诺平均形式分别为 ： 0 (1) 出 ， 收稿 日期：2005-08-02 维普资讯 中 国 造 船 学术论文 警等=一毒+V 一3xjc (2) 式中 为流体平均速度，U；、U为流体脉动速度，t为时间，P为流体密度，P为压力， 为流体 运动粘性系数，为坐标变量，下标i，=1，2分别对应于葺Y方向 (如图1)。 F2 y F1 海流 F3 — — r12 ／r4 (、‘ ／r， ＼r 7 r