3個(gè)附屬控制桿對(duì)立管水動(dòng)力影響的CFD模擬

(中國石化國際石油工程有限公司，北京 100020)

目前針對(duì)立管渦激振動(dòng)的抑制措施主要分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。典型的被動(dòng)控制抑制裝置有附屬控制桿[1-2]、螺旋側(cè)板[3]、導(dǎo)流板[4]和導(dǎo)流罩[5]等。在被動(dòng)控制方法中，附屬控制桿是一種經(jīng)典而流行的裝置，對(duì)于深海立管的渦激振動(dòng)抑制很合適。然而在真實(shí)洋流環(huán)境下，洋流方向并不是固定不變的，海洋立管所處雷諾數(shù)尺度較高，會(huì)表現(xiàn)出明顯的繞流三維特性[6]。因此，針對(duì)附有附屬控制桿的立管繞流問題，需要應(yīng)用合理的計(jì)算模型以及湍流模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬驗(yàn)證。為此，采用CFD軟件Fluent通過對(duì)深海立管周圍等間距分布3個(gè)附屬小控制桿的繞流問題進(jìn)行三維數(shù)值模擬，探究高雷諾數(shù)下3個(gè)附屬控制桿對(duì)深海立管水動(dòng)力的影響作用效果。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

針對(duì)立管和附屬控制桿，選取計(jì)算模型為主圓柱體周圍等距離分布3個(gè)小附屬圓柱體，簡(jiǎn)化模型見圖1a)。

三維矩形流場(chǎng)長(zhǎng)、寬、高為30D、20D、10D，D為主圓柱體直徑，D=0.25 m，來流速度為0.4 m/s，雷諾數(shù)為1×105。采用該長(zhǎng)寬比足以捕捉主圓柱體附近的尾流特性[7]。其中，主圓柱體上游來流區(qū)域長(zhǎng)度為10D，下游尾流區(qū)域長(zhǎng)度為20D，兩側(cè)展向長(zhǎng)度各為10D。4個(gè)圓柱體的具體分布見圖1b)，3個(gè)等直徑的附屬圓柱體等間距分布在主圓柱體的周圍。每2根附屬管的夾角為120°，考慮到對(duì)稱因素，對(duì)來流角α在0°～60°進(jìn)行模擬就足以反映全部360°來流方向下的結(jié)果。主圓柱體與附屬圓柱體的柱面最小距離為G，來流角α為主圓柱體與附屬圓柱體的中心連線和X軸正方向夾角。

參照以上定義，d/D為立管與附屬控制桿的直徑比，G/D為立管與附屬控制桿的間距比。立管上受的力主要通過阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)來表征，CD和CL的計(jì)算主要依據(jù)下式：

(1)

(2)

(3)

式中：fs為漩渦脫落頻率，Hz，通過對(duì)升力系數(shù)曲線進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)求得。

1.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域的入口速度取0.4 m/s。邊界壁面及圓柱體壁面選取為無滑移壁面條件，出口采用自由出流。通過ICEM對(duì)計(jì)算域分塊劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在構(gòu)造網(wǎng)格時(shí)將計(jì)算區(qū)域劃分為9部分，在圓柱近壁區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，其他區(qū)域網(wǎng)格逐漸變稀疏，網(wǎng)格劃分見圖2。

沿立管和附屬控制桿徑向第一層網(wǎng)格高度的選取符合y+≈1，根據(jù)下式估算沿柱面第一層網(wǎng)格高度Δy。

(4)

根據(jù)D=0.25 m，Re=1×105，確定近壁處第一層網(wǎng)格高度為Δy=4.6×10-5m。近壁處網(wǎng)格增長(zhǎng)率取1.2，這樣可以保證邊界層內(nèi)有足夠多的節(jié)點(diǎn)分布。展向網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為100個(gè)，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)達(dá)到216.2萬個(gè)。

采用大渦模擬(LES)計(jì)算方法模擬，壓力速度耦合方程使用PISO算法，離散格式采用有界中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，取時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，殘差控制在10-5以內(nèi)。

2 立管繞流分析

考慮到不同直徑比d/D和間距比G/D對(duì)立管的影響，選取α=0°這一特殊情況對(duì)不同直徑比d/D和間距比G/D進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖4。

以上模擬結(jié)果表明，在立管附近等間距放置3個(gè)附屬控制桿可以干擾立管后方流場(chǎng)，改變立管兩側(cè)卷吸層的相互作用，并對(duì)漩渦的脫落起到抑制作用。圖5為一個(gè)周期T時(shí)間內(nèi)3個(gè)附屬控制桿分布(α=0°，d/D=0.3，G/D=0.3)與單圓柱體繞流在0T、0.25T、0.5T、0.75T及T時(shí)刻得到的瞬時(shí)渦量分布。

由圖5可見，在每個(gè)周期T內(nèi)立管后方都有2個(gè)漩渦生成，并且一個(gè)呈順時(shí)針，另外一個(gè)呈逆時(shí)針。當(dāng)在立管附近分布3個(gè)附屬控制桿時(shí)，附屬桿的存在干擾了立管后方流場(chǎng)，并引起立管后方尾流結(jié)構(gòu)和漩渦脫落模式的改變，這是立管所受升、阻力變化的主要原因。立管后方兩排漩渦的垂直間距較單圓柱繞流時(shí)有所減小，但橫向間距增加，這種現(xiàn)象影響了漩渦的脫落，并且使漩渦在距離立管更后方的位置發(fā)生脫落。

3 結(jié)論

1)附屬控制桿可引起立管后方流場(chǎng)的變化，并對(duì)尾跡區(qū)的漩渦脫落起到良好的抑制作用，進(jìn)而有效減弱立管所受到的升力和阻力，對(duì)升力的抑制效果更為明顯。抑制效果與來流角度α、圓柱直徑比d/D和圓柱間距比G/D有關(guān)。

3)Sr隨來流角α和間距比G/D的增大而增大，隨直徑比d/D的增大而減小。但當(dāng)間距比G/D在0.2～0.3范圍內(nèi)時(shí)規(guī)律不同。

4)附屬控制桿的抑制作用滿足任意來流角度，抑制效果具有全向性，模擬結(jié)果可以為附屬控制桿的設(shè)計(jì)與安置提供參考。

[1] 曲晶瑀,楊晶,孫曉峰,等.附屬管線對(duì)隔水管渦激振動(dòng)影響的數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2017,13(2):153-158.

[2] 宋吉寧,呂林,張建僑,等.三根附屬控制桿對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)抑制作用實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋工程,2009,27(3):23-29.

[3] 曲晶瑀,楊晶,孫曉峰,等.螺旋側(cè)板對(duì)立管水動(dòng)力影響的數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2017,13(7):156-162.

[4] 趙恩金,拾兵,曹坤.導(dǎo)流板對(duì)海底管線渦激振動(dòng)的影響[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(3):320-325.

[5] KHORASANCHI M, HUANG S. Instability analysis of deepwater riser with fairings[J]. Ocean Engineering, 2014,79(3):26-34.

[6] 李燕玲.高雷諾數(shù)下圓柱繞流的三維數(shù)值模擬[D].杭州中國計(jì)量學(xué)院,2014.

[7] TEZDUYAR T E, SHIH R. Numerical experiments on downstream boundary of flow past cylinder[J]. Journal of engineering mechanics, 1991,117(4):854-871.