基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，包括：采集海底管线特征系数L/G和雷诺数Re信息，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，其中L为管线管长，G为间隙距离；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；根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线底端系数Ω；计算海底管线所受的局部压力系数C

【技术实现步骤摘要】
基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法
本专利技术涉及海底管线分析
，尤其涉及一种基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法。
技术介绍
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。拖曳力是作用在图1中x方向的力，拉力是作用在图1中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。
技术实现思路
根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，具体包括如下步骤：采集海底管线特征系数L/G和雷诺数Re信息，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，其中L为管线管长，G为间隙距离；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；根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线底端系数Ω；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；根据获取的管线特征系数L/G、雷诺数Re以及底端系数Ω采用基于实测多模态应变响应工程化方法计算基于小间隙影响因素下的海底管线的升力系数CL。进一步的，计算船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，采用大涡模拟方式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，所述海底管线底端系数Ω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，采用大涡模拟方式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。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，计算升力系数CL时：在小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分别计算升力系数CL；当L/G<2.5时:当6.5>L/G>2.5时：当L/G>6.5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；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。与现有技术相比，本方法根据实变升力系数来旋转壁面，通过改变尾迹涡流场结构和压力分布，来避免立管两侧同步出现正负压力峰值，从而将升力幅值减小到50％一下。由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于小悬跨海底管线的摩擦稳定性分析方法，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，该专利技术不需要深海实测数据，因此本专利技术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为本专利技术中
技术介绍
刚性悬跨管道示意图；图2为本专利技术中小悬跨海底管线物理模型和计算域示意图；图3为本专利技术中通过仿真软件计算得到管线壁面局部摩擦系数Cf；图4为本专利技术中通过仿真软件计算得到局部管线压力系数CP；图5为本专利技术中海底管线悬跨段物理模型示意图。具体实施方式为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：本专利技术公开的一种基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，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，采用大涡模拟方式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:根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线底端系数Ω。S31: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；S32: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；S33: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，采用大涡模拟方式计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，其特征在于包括：/n采集海底管线特征系数L/G和雷诺数Re信息，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，其中L为管线管长，G为间隙距离；/n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；/n根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线底端系数Ω；/n计算海底管线所受的局部压力系数C

【技术特征摘要】
1.一种基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，其特征在于包括：
采集海底管线特征系数L/G和雷诺数Re信息，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，其中L为管线管长，G为间隙距离；
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；
根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线底端系数Ω；
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；
根据获取的管线特征系数L/G、雷诺数Re以及底端系数Ω采用基于实测多模态应变响应工程化方法计算基于小间隙影响因素下的海底管线的升力系数CL。


2.根据权利要求1所述的基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，其特征还在于：计算船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，采用大涡模拟方式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所述的基于小间隙影响因素下的海底管道升力系数评估方法，其特征还在于：所述海底管线底端系数Ω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，采用大涡模拟方式计算出管线绕流速度u对应的海底...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，吕林，刘俊，许条建，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21