多相流作用下水下刚性跨接管流致振动特性数值模拟方法研究-论文.pdf

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1、第43卷第4期船海工程Vo1．43No．42014年8月SHIP＆0CEANENGINEERINGAug．2014DOI：10．3963／j．issn．1671_7953．2014．04．023多相流作用下水下刚性跨接管流致振动特性数值模拟方法研究马亚成。唐文勇，王晋(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240)摘要：跨接管内一般为油、气、水混合的多相流动，目前多相流作用下的管道振动研究多为实验研究，运用计算结构力学CSD和计算流体力学CFD结合的流固耦合方法对多相流内流作用下的倒置U形跨接管流致振动问题进行研究，得到管道内的多相流分布和管道动力响应，可用于多相流

2、内流作用下水下跨接管的设计及跨接管振动疲劳寿命分析。关键词：水下生产系统；跨接管；流致振动；多相流；流固耦合中图分类号：P756．2文献标志码：A文章编号：1671．7953(2014)04-0096-05水下跨接管一般用来连接管线与管汇、管线影响。与采油树、管汇与采油树、管线与立管等，是水下本文利用CFD和CSD相结合的流固耦合方生产系统重要的连接元件⋯。水下跨接管所处法，采用CFX+AnsysMechanical对水下倒置U形的环境特殊，所受载荷复杂且多变。近年来，随着跨接管在多相流内流作用下的振动特性进行了分深水油气的开发进度加快，输流管道的压力和管析，将管道外流场的

3、影响简化为附加质量，得到管内流速逐渐增加，由管道内流引起的流致振动问道内的流型和管道的动态结构响应，以期供水下题越来越受到海洋工程界的重视。英国安全与健管道的设计及振动疲劳寿命分析参考。康执行局(HSE)研究显示，英国海洋工程行业在1CFD和CSD结合的流固耦合求解北海21％的管道损坏是由于管道振动引起的疲方法劳失效。管道的流致振动是海洋石油工业在水下管道设计中不可忽略的因素，如果不考虑这个因管道的流致振动是一个典型的流固耦合问素，则可能造成严重的后果。题：管道在内流的作用下产生压应力造成管道变输流管道的振动研究涉及结构振动、流固耦形，管道的变形又会改变流动的情况。CFD结

4、合合和流体力学等诸多前沿领域，问题复杂，研究手CSD的流固耦合方法可分别建立流体域和固体域段也有一定的局限性。目前的水下管道设计规范的控制方程，并在流固耦合交界面处满足流体与并未充分考虑多相流作用下管道的流致振动机固体应力、位移等变量的相等或守恒J。上述方理，也未对流致振动应力计算方法进行说明。法的方程可写为通用形式的控制方程，给定各种多相流的流型判别对多相流管道的传热和压降分参数及适当的初始条件和边界条件之后即可求析计算十分重要，目前主要通过实验方法来进行解。用于解决流固耦合问题的方法主要有两种：多相流的流型判别。由于跨接管结构形式特殊，直接耦合式解法和分离解法。直接耦合

5、式解法通实验研究花费巨大且可重复性差，Chica和D．Jia过把流固控制方程耦合到一个方程矩阵中求解，利用CFD和CSD结合的数值仿真方法研究了水也就是在同一求解器中同时求解流体和固体的控下管道的流致振动问题，但未考虑管道外流场的制方程：收稿日期：2014—01—24【A：≤】㈩修回日期：2014—02—24第一作者简介：马亚成(1990一)，男，硕士生式中：．iI——迭代时间步；研究方向：船舶与海洋工程结构分析A△群、和，——流场的系统矩阵、待求解E-mail：wytang@sjm．edu．cn和外部作用力；多相流作用下水下刚性跨接管流致振动特性数值模拟方法研究——马亚成

6、，唐文勇，王晋AAX、和——对应固体区域的各项；处理为两端固支。倒置u形跨接管的具体尺寸和——流固耦合的耦合矩阵。参数见图2，为对仿真过程进行监测，对管道两个流固耦合的分离解法不需要耦合流固控制方弯管及跨中设立监测点。程，而是按设定顺序在同一求解器或不同的求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程，通过流固交界面把流体域和固体域的计算结果互相交换传递。待此时刻的收敛达到要求，进行下一时刻的计算，依次而行得到最终的结果。流固耦合面的数据传递是指将流体域的计算结果和固体域的计算结果通过交界面互相交换传图2倒置U形跨接管尺寸示意递。通过第三方软件(如MPCCI等)，完美对应的在油

7、气开采过程中，跨接管内一般为油气混流固网格或非对应网格经过严格的设置，均能较合物，渤海一般多为重质原油，相对密度为O．94好地完成数据的传递。但对于非对应网格的数据～0．98_9J，本文取为0．95。跨接管几何尺寸、材传递，传递前的插值运算是必不可少的。以Ansys料参数及内流参数见表1。MFS多场求解器MFX为例，其基于AnsysCFX开表1水下管道主要参数发，旨在联合AnsysMechanical和CFX，可用于求管道几何参数数值解大规模复杂模型。MFX中的守恒插值方式采外径D／cm27．305用单元分割、像素