加載阻流器海底管道自埋效果的數(shù)值模擬

單丹丹，逯廣東，閆 鐵，劉巖巖

加載阻流器海底管道自埋效果的數(shù)值模擬

單丹丹1，逯廣東1，閆 鐵1，劉巖巖2

（1. 東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318； 2. 遼寧陸海石油裝備研究院有限公司，遼寧 盤錦 124000）

為了避免波浪、潮汐、海流等外載荷力的作用，海底管道通常需要進(jìn)行埋設(shè)，一般采用的埋設(shè)方法需要用到機(jī)械設(shè)備，為了保證經(jīng)濟(jì)性，英國北海首次采用了在管道上方加載阻流器的方法來實(shí)現(xiàn)管道的自埋，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果，我國首次應(yīng)用此技術(shù)是在杭州灣海底管道的鋪設(shè)中，為保證該技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，在介紹管道自埋機(jī)理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用流體力學(xué)軟件FLUENT對有無阻流器的海底管道進(jìn)行數(shù)值模擬，依次將海床假想為固壁及實(shí)際泥沙海床兩種情況，模擬得出這兩種條件下的壁面海床剪應(yīng)力、管道外表面壓力系數(shù)、管道正下方水流流速以及管道下方的沖刷坑形態(tài)等數(shù)據(jù)，從而對比說明阻流器的加載對管道自埋的促進(jìn)作用。阻流器的加載會(huì)導(dǎo)致管道上部壓力系數(shù)增大，引起升力系數(shù)下降，也會(huì)使得管道底部水流流速增大，引起固壁海床剪應(yīng)力增大，泥沙海床沖刷坑也明顯加深，在自重的作用下，管道的下沉速度較快，從而實(shí)現(xiàn)自埋。

阻流器；海底管道；自埋；數(shù)值模擬

隨著陸地油氣資源的日益減少，國內(nèi)外都放眼于對海洋油氣資源的開發(fā)與利用，海底管道作為海上油氣資源重要的儲(chǔ)存和運(yùn)輸工具，正發(fā)揮著巨大的作用。裸置的海底管道在惡劣的海洋環(huán)境條件下通常不能保持其在位穩(wěn)定性，所以一般要對管道進(jìn)行埋設(shè)，傳統(tǒng)方法是采用先挖溝后回填的方式來實(shí)現(xiàn)的，但各類機(jī)械設(shè)備都比較昂貴，為尋求一種經(jīng)濟(jì)有效的方式，國內(nèi)外逐漸采用在管道上方加載一種被叫做阻流器的類似于魚鰭的裝置，它能實(shí)現(xiàn)管道的自然埋入土壤。國外應(yīng)用此技術(shù)的管道較多，但國內(nèi)只在杭州灣海底管道的鋪設(shè)中采用過。為此，在這里研究阻流器的加載對管道自埋有哪些促進(jìn)作用，主要應(yīng)用流體力學(xué)軟件 FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，得出有無阻流器管道的正下方流速、升力系數(shù)、表面壓力系數(shù)及沖刷坑形態(tài)等數(shù)據(jù)情況，從而判斷阻流器對管道自埋的重要作用。

1 管道自埋機(jī)理

裸置于海床表面的海底管道，在受到海流的沖刷作用，由于管道自身的阻擋作用，會(huì)使得水流改道，原來沖刷方向是垂直于管道橫斷面，變成了沿管道頂部和底部方向的沖刷，底部的分流能夠加大底部的水流流速，從而帶動(dòng)泥沙的沖刷，逐漸形成坑道，之后在管道自重的作用下，管道會(huì)逐漸下沉，底部被水流攜帶的泥沙將在管道的背流面堆積，管道在慢慢下沉的過程中這些堆積的泥沙就會(huì)在回流的作用下回填使管道埋入土壤，這便是管道的自埋機(jī)理。如果在管道上方加載阻流器，與凈管（無阻流器管道）相比，阻流器的加載將會(huì)對管道周圍的流場和壓力產(chǎn)生影響，這主要體現(xiàn)在加快管道底部的水流流速，當(dāng)管道周圍水流處于低速狀態(tài)時(shí)，能夠促進(jìn)管道底部海床加速?zèng)_刷形成淺溝，這種影響不僅會(huì)導(dǎo)致管道周圍垂直方向上形成淺溝，還會(huì)使得周圍橫向產(chǎn)生淺溝。阻流器對管道的自埋具有以下作用：

（1）由于阻流器對水流的阻擋作用加大，促使管道上方的水流流速減慢，而下方的流速明顯增大；

（2）阻流器的加載使得周圍流場變得更穩(wěn)定，可以增大曳力系數(shù)和慣性系數(shù)，減小渦激振動(dòng)，增加管道的穩(wěn)定性；

（3） 阻流器的存在使得管道表面壓力分布產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓力，即升力方向向下，促進(jìn)管道的下沉。

加載阻流器的海底管道自埋過程見圖1［1］。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

模擬應(yīng)用FLUENT［2］流體力學(xué)軟件，為驗(yàn)證阻流器的特殊效用，要對有無阻流器的海底管道進(jìn)行數(shù)值模擬，主要研究阻流器的加載對管道下方的水流流速、海床沖刷坑形態(tài)、管道表面壓力系數(shù)、管道升力系數(shù)等這些重要因素存在哪些影響，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)的變化情況說明其對管道自埋的促進(jìn)作用。在模擬過程中只考慮定常海流力對管道的沖刷作用，不考慮波浪等其他環(huán)境載荷的影響。

本文以杭州灣海底管道［3］為研究對象，模擬中依據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中管道外直徑D=791 mm，這包括管道內(nèi)直徑φ711 mm ×14.3 mm和外層混凝土的厚度40 mm，相關(guān)參數(shù)見表1。

假想的固壁海床模型的計(jì)算域選為20 m×4 m，左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，以純水作為流體材料，其密度值大小為ρ=998.2 kg/m3，粘性系數(shù)μ=0.001003 kg/(m·s)，實(shí)際泥沙海床模型域選取為20 m×6 m，其中泥沙層厚度2 m，原點(diǎn)同樣位于左下角，泥沙的設(shè)計(jì)參數(shù)選取為比重2.68，中值粒徑d50=0.5 mm，粘性10 kg/(m·s)?？勺兊膮?shù)有阻流器的高度h及管道與海床間的縫隙寬度e以及來流流速v，對下表2所示的加載阻流器的9種工況與不加阻流器的3種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，來研究阻流器對管道自埋的影響。

這樣，建立的固壁和實(shí)際泥沙海床條件下的模型圖分別如圖2（a）、（b）所示。

相應(yīng)的邊界條件如表3（a）、（b）所示。

2.2 結(jié)果分析

（1）阻流器對管道周圍沖刷的影響

對于假想的固壁海床情況，可以觀察管道周圍流場的分布情況來研究阻流器的作用。模擬出管道在v=1 m/s的均勻來流，縫隙寬度e=D/4=0.19 mm的條件下的流場。

由于管道和阻流器的存在，周邊的流場流速梯度加大了，并且與無阻流器的管道相比，這種現(xiàn)象更明顯。在固壁海床的情況下，管道底部流速較低的區(qū)域變小，管道頂部流速變小，流速較大的區(qū)域被阻流板抬高到阻流器的上方，管道位于阻流器掩護(hù)范圍內(nèi)。

對于實(shí)際泥沙海床，可以通過觀察沖刷坑的形態(tài)判斷有無阻流器下的管道周圍沖刷情況。圖3所示為t=30 min，e=D/4=0.19 mm，v=1 m/s條件下的加載不同高度阻流器的管道周圍沖刷坑形態(tài)。

可見，沖刷坑集中在管道附近不遠(yuǎn)處，距離管道越近沖刷坑越明顯；管道背流面的紊動(dòng)強(qiáng)度在阻流器的影響下會(huì)增大，而底部水流流速由于管道和阻流器的阻擋也會(huì)相應(yīng)變大，促進(jìn)沖刷；阻流器的高度增加又會(huì)使沖刷坑坡面變陡峭，并且阻流器會(huì)抬高后方水流，水流攜帶著泥沙倒流，使泥沙回填加快。

（2）阻流器對管道表面壓力系數(shù)影響t= ，縫隙寬度為D/8，D/4，和D時(shí)管道表面的壓力分布。

通過對比分析，可以看出：

縫隙寬度增加，管道后方的表面壓力增大明顯［5］，當(dāng)eD= 時(shí)，后方壓力甚至與前方壓力持平，整體壓力系數(shù)變化不大；管線前部和后部的壓力分布不對稱，產(chǎn)生拖曳力，加載阻流器后，使得拖曳力變大，沖刷開始；管線的頂部和底部也存在壓力差，產(chǎn)生垂向升力，加載阻流器后，升力系數(shù)減小。

（3）阻流器對管道正下方床面影響

對于固壁海床，模擬出整個(gè)海床平面上的剪應(yīng)力（圖5(a)），橫坐標(biāo)為海床面上各點(diǎn)距離坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，單位是m，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力，單位是Pa；

圖4（a）～（d）分別為時(shí)間 10min對于實(shí)際泥沙海床，可以模擬管道正下方的流速情況（圖5(b)），橫坐標(biāo)代表管道距離底邊界的高度，單位是m，縱坐標(biāo)為水流流速，單位是m/s。

可以看出，管道正下方的床面剪應(yīng)力最大，并且隨著阻流器高度的增加，床面剪應(yīng)力也相應(yīng)增大，但是高度的增加對剪應(yīng)力的增大是在一定范圍內(nèi)效果明顯的，在高度由0.25D增加至0.375D時(shí)管道下方海床剪應(yīng)力的增加值便不很明顯。對于實(shí)際泥沙海床管道下方的水流流速變化，可以得出同樣的結(jié)論。

3 結(jié) 論

海底管道在加載阻流器后會(huì)實(shí)現(xiàn)自埋，這在之前許多研究中都有相關(guān)論證，不過研究大多體現(xiàn)在應(yīng)用方面，應(yīng)用基礎(chǔ)理論加以解釋的不多，本文依據(jù)杭州灣海底管道的鋪設(shè)為現(xiàn)實(shí)依據(jù)，應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析管道在有無阻流器[6]狀態(tài)下的自埋影響因素，進(jìn)一步弄清了海流作用下的管線的一些特性，并得出如下結(jié)論：

（1）阻流器會(huì)對管道周圍的沖刷起到促進(jìn)作用，與不加阻流器的管道相比，阻流器促使水流沖刷管道下方海床，使得管道下方?jīng)_刷坑明顯，而且由于阻流器的阻擋作用，影響其后方的水流造成回流，帶動(dòng)著泥沙回填，會(huì)加速管道的自埋。

（2）通過對不同工況下的管道表面壓力系數(shù)數(shù)據(jù)的對比分析，可以得出，阻流器的加載會(huì)影響管線前后和上下的壓力差，前后壓差使管道發(fā)生左右移動(dòng)，促進(jìn)管線沖刷懸空，上下壓差產(chǎn)生垂向升力，使升力系數(shù)減小，有利于管道自埋。

（3）探討阻流器對管道正下方床面的影響，得出隨阻流器高度的增加，對管道周圍海床的沖刷也隨之加大，但這種促進(jìn)并非更明顯，所以為了保證經(jīng)濟(jì)性，選擇合理的阻流器高度很重要，其選擇應(yīng)根據(jù)管道的直徑及實(shí)際海域地質(zhì)情況來確定。

［1］陳國祥，李春，唐海燕. 采用阻流板的海底管道自埋技術(shù)[J]. 中國造船, 2005, 46(增刊): 367-371.

［2］江帆，黃鵬. FLUENT高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社: 7; 14; 149-162.

［3］來向華，葉銀燦，韋雁機(jī)，茍諍慷，傅曉明.杭州灣海底管道沖刷自埋演化過程初步研究[J]. 海洋學(xué)研究,2011,29(2):65-71.

［4］Jianping Zhao, Xuechao Wang. CFD numerical simulation of the submarine pipeline with a Spoiler[J]. Journal of offshore mechanics and Arctic Engineering, ASME, 2009.

［5］王學(xué)超，趙建平. 阻流器對海底管道自埋效果的數(shù)值模擬分析[J].石油機(jī)械, 2007, 35(6):8-10.

［6］楊立鵬．波浪作用下的海底管線沖刷與防護(hù)技術(shù)研究[D]. 青島：中國海洋大學(xué)，2012．

Numerical Simulation of Submarine Pipeline Self-burial Effect With a Spoiler

SHAN Dan-dan1,LU Guang-dong1,TIE Yan1,LIU Yan-yan2
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Liaoning Land-sea Petroleum Equipment Research Institute Co., Ltd., Liaoning Panjin 124000，China）

In order to avoid the external forces of wave, tide and current loads, the submarine pipeline usually needs to be buried. The buried process usually needs to use mechanical equipments. For ensuring economy, the self-burial of pipeline was firstly realized by loading a spoiler on the pipe in UK North Sea, and good economic benefit and environmental protection effect were achieved. The first application of this technique in China was to lay Hangzhou Bay’s submarine pipeline. To popularize the technology, the fluid dynamics software FLUENT was used to simulate the pipeline with a spoiler or not on the basis of introducing the self-burial mechanism of pipeline. The seabed was assumed to be solid wall and actual sediment in turn. Then the wall shear stress, the pressure coefficient of pipeline external surface, the flow rate under the pipeline and the scour pits morphology under the pipe were obtained. By contrasting, it can be seen that spoiler adding can promote the self-burial of pipeline. The loading of spoiler can lead to the upper pressure coefficient increasing of pipeline which will cause the lift coefficient decrease, increase the flow rate under the pipeline to cause the wall shear stress increase, the scour pits of sediment seabed will significantly deepened. Therefore, under the action of self-weight, the sinking speed of pipe is faster, and the pipeline realizes self-burial.

Spoiler; Submarine pipeline; Self-burial; Numerical simulation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1067-04

2014-12-08

單丹丹（1984-），女，黑龍江雙鴨山人，講師，碩士，2011年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)港口、海岸及近海工程專業(yè)，研究方向：海洋油氣工程。