斜向水流作用下海底管线周围水动力特性数值研究_常留红
第,,卷 第,期 ,,,,年,月
中国海洋大学学报
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斜向水流作用下海底管线周围水动力特性数值研究
,,,
,蒋昌波,,,程永舟,,常留红,,
()长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙,水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙,,(,,,,,;,(,,,,,
摘 要:,,,,,,和分离涡紊流模拟方法建 管线附近的水动力因素是底床局部冲刷形成的主要原因。基于开源程序,,、、和立三维数值水槽,数值模型的计算结果与同条件的物理实验结果基本一致。在此基础上,对水流作用角为,,?,,?,,?及间隙比为,、管线周围的流场结构进行分析,探讨水流作用角和间隙比对管线———————————————————————————————————————————————
附近三维水流,,?,(,、,(,、,(,水流作用下,结构的影响规律。结果
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明:随着作用角的增大,管前涡流范围逐步缩小至管线附近,管后涡流范围逐步向下游延伸,且管后涡漩尺度、回流范围与尾涡紊动区域逐步增加,尾涡中心逐步远离管线,且轴向水流逐渐减弱;管后尾涡的产生、脱落,涡,,,旋尺度大小受管线与底床间隙比,类似圆柱扰,的影响明显,,,,,时管线后尾涡的脱落形态不明显;,,,,(,时,流,管后尾涡形态变化不明显。
关键词: 海底管线;斜向水流;水动力特性;作用角;间隙比
()中图法分类号:,,,(,
文献标志码:,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,
文章编号: ,,,,:,,,,,(,,,,,(;,,,(,,,,(,,,,,,,, ,,
,引用格式:常留红,蒋昌波,程永舟(斜向水流作用下海底管线周围水动力特性数值研究,自然科,(中国海洋大学学报(,():学版),,,,,,,,,,,,,(,,
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管线失效事故时有发生,直接 海洋环境复杂多变,
,,
,海威胁经济发展和海洋生态安全。调查结果表明,
床运动和波、流冲刷是海底管线失效的主要原因之一。国内外不少学者对海流作用下管线冲刷机理进行了大
,,,,,,,,,,,
量的研究,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,等大
度尾涡的产生与脱落。实际海洋环境中作用于管线的水流方向复杂多变,管线附近水流结构三维特征明显。当水流方向与管线斜交时,在管线前后沿管轴向产生较小涡旋,而,虽能够,,模型为网格滤波的紊流模型,有效捕捉到管线附近水体内部较大的涡动结构,但对于管线前后表面位置较小的涡动结构,由于小于网格尺度而被模型过滤掉,因而,,,不能有效模拟管线表,面前后的流场结构。考虑到,,,,模型和,,,模型
,,,,,,
,和,等提出了混合,优缺点,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
量研究认为,管线周围的水流结构及其水动力特性是造成海床冲刷的重要因素。因此,探索水流作用下海底管线附近周围水动力特性和局部冲刷机理具有重要的科学意义和工程应用价值。 ———————————————————————————————————————————————
国内外相关学者对管线附近的水流结构的数值研究开展了广泛的探讨。纵观以往的数值研究,主要可分为四类:一是基于势流理论的数学模型,模拟水流作
,,
但由于势流模型不用下海底管线的底部冲刷,如,,,,
目前广泛应用的是分离涡方法(,,,方法,,,,;,,,,
,)即在流动分离区域,采用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 中的亚格子应力尺度模型模拟;而在壁面的边界层区域,采用,从而结合了,,,,模型进行模拟,,,,在壁面边界层的优势和,,,模拟剪切层和分离流动的优点。
因此,本文采用高精度、并行计算稳定且求解方法建立三维数值水槽,先进的开源程序包,,,,,,,,,
采用分离涡方法进行紊流模拟,通过分析管线周围三维流线和水平及竖直平面水流结构的变化,研究不同水流作用角和间隙比对管线附近水动力特性的影响规律。
能模拟出管线后方形成的尾涡,因而对管线周围水动力特性模拟尚不够准确;第二种是基于,,ε和,,ω模型
,,,,,,,,,
第发展起来的数值方法,如,,,, ,,,、,,,,,、,;
三种则是利用大涡模拟(方法对海底管线冲刷进,,),
,,,,
第四种则是利用有限差分和行模拟,,和,,,,,,; ———————————————————————————————————————————————
,法模拟波浪作用下管线水动力变化规律。研究成,,
果大多采用,能模拟管后出现的大尺,,或,,ω模型,
)、)和长沙理工大学人才
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
项目湖南省教育厅科研项目(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 基金项目:国家自然科学基金项目(
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;修订日期:收稿日期:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
:,作者简介:常留红(女,讲师,博士。,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,(;,,,,)
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中 国 海 洋 大 学 学 报,,,,年
, 数值模型
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,(,控制方程
,,(,,,,,,,,,,,,方程 在笛卡尔坐标体系中,,(,
不可压缩流体的连续方程,通过质量守恒定律和根据动量守恒定律,可推导出连续性方程:
式,对流项采用迎风格式。控制方程求解采用压力和速度联合解耦实现,采用,,,,算法和,,,,,,算法基础上优化的,,,,,,算法。,数值水槽,(
为节省计算
资源
人力资源管理制度人力资源战略合作框架协议人力资源工作计划人力资源总监岗位说明书人力资源部经理岗位说明书
,数值计算区域仅模拟了部分长度的实验水槽,管线在水流方向上的投影长度为,(,,
(),
(),见图,数值水槽在管线前后长度分别为,和,,(,,,以保证数值计算完整地捕捉到管线附近的水动力特性竖向高度为静水面以上变化。数值水槽宽度为,(,,,数值水槽尺寸为:,,,(,,×,(,,×,(,,,。,;
数值水槽网格划分采用分区多块结构网格,在水流方向上管线附近的水槽核心区域((,,),,,,,,网格精度,核心区域前后至水槽出入口为,(,,,,,,,过渡区段,网格精度逐渐增大至,,(,,,。竖向网,,为,格尺度在水槽底部核心区域(,)(,,,,,,,,,之后向上逐渐增大至自由液面,,,)(,,,,(,(,,,
而水槽宽度方向上网格尺度均为,,(,,,,,,,,(,,———————————————————————————————————————————————
,,。在水槽网格的基础上通过网格移除再生成
技术形成管线表面附近的网格,包括二次加密的结构网格、管线表面的边界层网格和各部份间过渡的非
结
,
。构网格,模型的网格总数达到,(,×,,
,,
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,,,? ),,,,,,,,,。(,,,,,, ,,,,ρ
式中:,,,为,个,为速度矢量;,代表笛卡尔坐标系统,
?为重力加速方向的分量;,为时间;,为瞬时压力值;,
度;,为运动黏度。
,(,,,,输运方程 ,,,,,,,,,;,,对经典,,,方,(
法中的体积分数输运方程进行了修正,增加了人工压缩项,使其对自由液面的捕捉更加精确,避免了界面模糊:
,
,,,。,,,,α), ?,α,, ?,α(,,
, ,
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其中,,为相对速度。
(),
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,, ,
早期,由于边界层中,,,模型中,,,区域过早地过渡到,存在湍动应力损失问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
。,,,,区域,,,,,,,,
修正后的,即延迟分离涡模型(,,,,,,版本,,,,,,,,,。此函数为模简称,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,) ,
型长度尺度与壁面距离的比值。在,函数,,,,模型,
,,,
:改写为,
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,,,,,,,κ,(),
而在靠近边界层边缘逐渐变为,,在对数层,,,,
)式(分子中ν的存在保证在壁面区域,不为,。并引,入了一个新的函数,,,
,
(,。(),,,,,,,,,,,,,,)
根据修正后的,和,,,,,,,模型重新定义了长
度判断函数:
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槇,,,,(。(),,,,,,,Δ),,,,,,,修正后,特征长度的转换不仅与网格尺度有关,还与涡粘系数的有关。
保证了,通过对函数,修改和引入函数,,,,,方法在边界层以内(根据,区域保持为,,,,模,判断)型,延迟了,,,模型由,,,,方法过早的转换为,,,方法,避免应力损失。,数值求解方法,(
采用有限体积法离散控制方程,保证单元体质量和动量守恒。控制方程中拉普拉斯项采用线性差值计算,梯度项采用高斯线性格式,瞬时项采用逆风差分格
图, 水槽实验布置图
,(, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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数值水槽左右两端分别为速度入口边界和出口边界,上方为自由出流边界,底部、两侧边壁和管线表面为固壁无滑移边界。数值计算中时间步长控制为自适,最大库郎数为,最大应模式,初始步长为,(,,,,(,,,,。采用高性能数值模拟时长为,时间步长为,(,,,,)计算集群(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,, ,
进行并行计算。
,期常留红,等:斜向水流作用下海底管线周围水动力特性数值研究
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,,,
, 模型验证
,(,物理模型实验布置
实验在长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南宽,省重点实验室波流水槽中进行,水槽长,(,,,,,,高,,,配有泵式循环造流系统。采用单向恒定流,水,。断面平均流速为流速,深为,(,,,,(,,;,,
实验管线模型采用光滑有机玻璃管制成,外径
,壁厚,,,,水流作用角α,,直铺于床面。,,,,,?,
测量管线附近的流速采用多普勒剖面流速仪(,,,),分布。测量位置如图,,所示。,模型验证,(
与物理实验工况条件相一致,对数值模型的可靠、管前(性进行验证。图,分别给出了管线上方(,,,)和管后(位置垂直管轴向线方向流速分量,的,,),)
垂线分布
。
),图, 管线附近位置垂线流速验证(,,,,
(,),,(, ,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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,个位置垂线流速分布的数值计算结 由图,可见,
果和实验结果基本一致。本文建立的斜向流作用下管线附近的三———————————————————————————————————————————————
维水动力学模型可以准确的模拟管线附近的水流结构和研究水动力特性的变化规律。
()管前、不同:管上和管后水流均有较大的沿管轴向,下游流动的流速分量,进而导致管表面水流分离位置管轴向流速分量减小,相比正向流作用下此位置紊动(水流发生分离后,强度明显减弱;在管后形成大尺,)度的尾涡结构,并与管后沿管轴向下游水流耦合,形成沿管轴向下游逐渐拉伸的尾涡结构,而正向流作用下沿管轴向尾涡结构尺度基本不变;同时,斜向流作用下(斜向流作用下,管后水体的紊动强度也相对偏弱;,)随作用角的增大,管线阻水作用加强,水流沿管轴向的流速分量逐渐减小,法向流速分量增大,管线附近水流结构的三维特性减弱,管轴向各位置的尾涡结构开始沿管法向拉伸,水流紊动特性增强
。
, 结果与分析
,(,作用角对管线附近水动力特性的影响
斜向水流作用下,管线周围流线具有明显的三维特性。图,为不同作用角水流作用下管线附近的三维流线,颜色标识为不同位置的涡量值。
),斜向流作用由图,可见,与正向流相比(,?α,,)管线附近的三维流线、紊动特性明显下(,?,?α,,,,
),图, 水流作用下管线附近三维流线(,,,,
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管线中心法向立面的流场特 水流作用角的不同,
性和涡量值分布呈现角度相关性规律,如图,所示。
),尾由图,可见,随着作用角的增大(,?,?α,,,,,涡结构逐渐向后拉伸,中心位置随之后移(,,,,,,),且尾涡在竖向上影响范围也有所扩大(,,,,,(,,
),同时管后负向涡量的分布范围和大小均逐渐加,(,
),管后未形成完整的大大。而在正向流作用下(,?α,,,尺度尾涡结构,但在,,,,范围内出现稳定且较长
),(的紊流区域。,,,,
随着作用角的变化,位置管线附近的平面流场特性和涡量值分布也具有明显的角度相关性,本文重点,)
。图,分析了,,,,(,的平面流场分布(
),图, 立面水流结构图(,,,,
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,,)图, ,,,,(,,,,,平面水流结构(
(),,,,(, ,,,,,,,,;,,,,,,,,,,———————————————————————————————————————————————
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斜向流作用下管前和管后均出现明 由图,所示,
显的沿管轴向下游水流,管后轴向流范围远大于管前。随着作用角的增大,管前轴向流强度减弱,造成的紊流区域也逐渐缩小;而管后由于水流的管法向流速分量渐增大,管后各位置的尾涡结构加强轴向流虽也是逐渐减弱,紊流区域在上游管后方呈增大趋势。而正向,)且紊流作用下,管后各位置均出现长度较长(,,,,,动强度较大的紊流区域,管线附近也未出现轴向流。,间隙比对水流结构的影响,(
斜向流作用下管线附近水流结构的三维特征明显,因而不同间隙比条件下管线附近的水动力特性也
斜呈现与正向流作用的差异性。本文对作用角α,,,?,向流作用下不同间隙比,,,,、,(,、,(,和,(,的管线模型进行计算,研究间隙比对斜向流作用下管线附近水动力特性的影响,如图,,,。
图,为不同间隙比条件下管线中心法向立面位置,的流场特性和涡量分布。在,管后仅出,,,条件下,现一个大尺度较为完整的负向尾涡结构,尾涡与几何边界(底床和管线表面)间的作用以边界层的剪切流作,,管线下表用为主。在间隙比较小条件下(,,,,(,)面与底床间隙内形成高速强剪切流水体,以射流形式进入管后区域,对管上表面剪切流形成的尾涡结构造
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,期常留红,等:斜向水流作用下海底管线周围水动力特性数值研究
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成冲击破坏,因而管后未出现较大尺度的尾涡结构,水流结构与高雷诺数下的圆柱绕流相似,管后形成充分,,间发展的紊流区域。随着间隙继续增加(,,?,(,)隙内管线下表面边界层形成的剪切流脱离底床边界层,区域,且间隙流流态不同于较小间隙比条件(,,,
)的射流型式,而是与管上表面的剪切流流态相似。,(,
在管线上表面和下表面剪切流的相互作用下,管后水流结构类似于圆柱绕流条件下的卡门涡街,且随着间,此流场结构越趋于明隙比的增大(,,,,(,,,(,)显
。
图, 不同间隙比下立面水流结构
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),图, 不同间隙比下平面水流结构(,,,,,(
,),,(, ,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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,,,,(, 图,为斜向流作用下不同间隙比内在,
位置的平面流场特性和涡量分布。在间隙比存在条件,管线附近平面流场结构分区特征下(,,,,(,,,(,)明显,在管前和管后区域均有明显的轴向流,且紊动强度较大,而在管线正下方约,,宽度范围内水流流向与斜向流的作用角相同,且流速值较大,紊动强度较小,,(,,,,,,,(,时平面,(,位于管线下表面边界层。间隙流流向不同于管前后轴向流的原因在于间内)
隙内水体流速值较大、动水压强较小,而管前后水体的流速值相比较小、压强较大,且管前压强大于管后,所以在管前后压强梯度差的作用下间隙水体流向发生逆时针偏转,最终稳定于斜向流的作用角方向。
, 结论
()随着作用角的增大,管线阻水作用加强,附近水流,
结构的三维特性减弱,尾涡结构逐渐向后拉伸和向上扩展,管后水流结构的紊动特性增强管前涡流范围逐步缩小至管线附近,管后涡流范围逐步向下游延伸,且管后涡漩尺度、回流范围与尾涡紊动区域逐步增加,尾涡中心逐步远离管线,且轴向水流逐渐减弱。
()受间隙比影响,管线附近平面流场结构区域特征明,显,在管前和管后有明显的轴向流,但在管前后压强梯度差作用下,管下方水流流向保持与水流作用方向相同,流速值较大。
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(),管后尾涡的产生、脱落,涡旋尺度大小受,,的影,
响明显。随着间隙比的增大,管线下表面形成的剪切流逐渐脱离底床边界层区域,间隙内射流现象消失,管后水流结构类似于圆柱绕流条件下的卡门涡街。参考文献:
,,,,,,世纪海岸和近海工程的发展趋势,,(自然科 邱大洪,王永学(
学进展,,,,,,,,:,,,(,,
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责任编辑 陈呈超
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