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【特别报道】——“天河三号”原型机助力海底管道优化设计


由海床冲刷引起的管道悬空以及悬跨管道在海流作用下的涡激振动是海底管道失效的主要原因,所引发的事故占总数的36.2%。

海底管道的涡激振动和海床的局部冲刷高度耦合,其问题复杂,影响因素众多,科学界和工业界对其致灾演变机理尚未完全理解和掌握,加之造成的经济和环境损失巨大,故而对其设计时多采用较高的安全储备,造成了极大的资源浪费。因此,开展海底管道涡激振动与沙质海床局部冲刷耦合机理研究具有非常现实的科学意义和工程价值,符合我国深海油气开发的重大战略需求。

近日,国家超级计算天津中心用户天津大学及春宁课题组基于“天河三号原型机”采用CFD数值模拟计算开展海底管道涡激振动与沙质海床局部冲刷耦合机理研究,取得了一系列研究成果,其相关成果发表于《Journal of Fluids and Structures》。

及春宁课题组基于大涡模拟(LES)和浸入边界法(IBM)建立的流固耦合模型,开展了沙质海床上弹性海底管道涡激振动的大规模数值模拟,分析了来流方向对弹性海底管道涡激振动响应的影响,探究了弹性海底管道涡激振动与沙质海床三维局部冲刷耦合机理,进一步完善了流-管-土多物理场耦合理论体系,提出了考虑流-管-土耦合作用的、改进的海底管道涡激振动和沙质海床三维冲刷计算模型,为海底管道的优化设计提供了理论依据。

近壁海底管道下游的三维漩涡结构

不同δ/D和G/D下力场和雷诺数的变化不同间距比和折合流速条件下的近壁海底管道涡激振动泄涡模式

不同间距比和折合流速条件下的近壁海底管道涡激振动轨迹和相位

在弹性海底管道涡激振动研究方面,该课题组研究了不同来流方向下弹性海底管道的涡激振动响应、尾涡结构及其沿管道轴向的变化等,探讨了来流方向和雷诺数对管道的振型、频率和振幅的影响,建立了更为完善的弹性海底管道涡激振动理论体系。

不同来流角度和初始间距比条件下的近壁海底管道局部冲刷深度

在海底管道跨肩处的三维螺旋来流的研究方面,该课题组采用 CFD 数值模拟方法,全息再现了海底管道跨肩处的三维螺旋来流,探索了此三维流场结构对海床冲刷的作用机制,增强了学术界对管道周围海床三维局部冲刷过程的认识,以及快速发展阶段和缓慢发展阶段的成因及其对悬跨发展速度的影响。

在探究弹性海底管道涡激振动与沙质海床三维局部冲刷之间相互作用的问题上,采用 CFD 数值模拟,探讨了两者之间的耦合机理,提出了改进的、考虑耦合作用的弹性海底管道涡激振动和沙质海床三维局部冲刷计算模型。

上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目的支持。论文的计算工作得到了国家超级计算天津中心的大力支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2019.102728