基于Fluent二次开发的海底管道局部冲刷数值模拟研究

论文摘要

海底管道运输作为一种高效、实用和经济的输运方式,保障石油、天然气等资源的安全输送。海底管道在海流、波浪等复杂水动力环境中服役,周围海床面上泥沙易发生冲刷起动,引发海底管道下方形成局部冲刷坑,产生悬空现象,诱发结构失效。海底管道失效会导致油气泄露,严重威胁环境安全,造成巨大经济损失。因此开展海底管道局部泥沙冲刷过程预测至关重要。本文针对海底管道局部冲刷问题。开展海底单管道、海底并行布置两管道、海底子母管道局部冲刷数值模拟研究。具体研究内容如下:对比分析Standard k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε湍流模型下圆柱管道绕流尾流场,选取合理的k-ε湍流模型,并考虑贴壁圆柱管道周围流场模拟情况,验证流场模型的准确性;考虑推移质输沙,利用UDF对Fluent进行二次开发,结合动网格技术,实现海床面变形,构建泥沙冲刷数值模拟模型。基于泥沙冲刷数值模拟模型,开展几何模型建立、网格划分和模拟方案选取,模拟海底单管道局部冲刷过程,并对比冲刷试验中床面形态及冲刷过程,验证泥沙冲刷数值模拟模型的可行性。针对海底并行布置两管道形式,开展局部冲刷数值模拟研究,通过分析冲刷坑延展过程和冲刷过程中流场变化,揭示管道与管道之间的相对距离对上、下游管道局部冲刷行为的影响;针对海底子母管道形式,保持大、小管道的直径比不变,改变大、小管道之间的相对距离及海底子母管道与海床面的相对位置,开展相对间隙及相对空隙对海底子母管道局部冲刷行为的影响研究,为进行海底管道布设和研究提供参考。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 本文研究背景和意义

1.2 海底管道局部冲刷研究概述

1.2.1 试验研究进展

1.2.2 数值研究进展

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本文的技术路线

第2章泥沙冲刷数值模拟模型的构建

2.1 引言

2.2 流场模型

2.2.1 水流控制方程

2.2.2 边界条件

2.2.3 k-ε湍流模型选取

2.3 泥沙冲刷模型

2.3.1 泥沙输运理论

2.3.2 动边界更新与实现方法

2.4 UDF二次开发过程

2.5 数值求解方法

2.5.1 有限体积法

2.5.2 SIMPLE流场数值计算方法

2.6 流场与冲刷场迭代方法

2.7 本章小结

第3章海底单管道局部冲刷数值模拟

3.1 引言

3.2 海底单管道局部冲刷计算模型确定

3.2.1 几何模型建立

3.2.2 模型网格划分

3.2.3 模拟方案确定及计算条件

3.3 数值计算结果与分析

3.3.1 床面冲刷形态

3.3.2 冲刷过程分析

3.4 本章小结

第4章海底并行布置两管道局部冲刷数值模拟

4.1 引言

4.2 海底并行布置两管道计算模型确定

4.2.1 几何模型建立

4.2.2 模型网格划分

4.2.3 模拟方案确定及计算条件

4.3 数值计算结果与分析

4.3.1 床面冲刷形态

4.3.2 冲刷深度

4.3.3 涡量场

4.3.4 时均升阻力系数

4.4 本章小结

第5章海底子母管道局部冲刷数值模拟

5.1 引言

5.2 海底子母管道计算模型确定

5.2.1 几何模型建立

5.2.2 模型网格划分

5.2.3 模拟方案确定及计算条件

5.3 数值计算结果与分析

5.3.1 相对间隙比G/D对冲刷行为影响

5.3.2 相对空隙比e/D对冲刷行为影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 于淞

导师: 张洪雨

关键词: 海底管道,局部冲刷,数值模拟,二次开发

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: P756.2

DOI: 10.27060/d.cnki.ghbcu.2019.000152

总页数: 93

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