[发明专利]基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法

说明书

本发明公开了一种基于大长细比悬跨海底管线拖曳力系数获取方法，包括：采集海底管线长度L以及雷诺数Re，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u；确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸、海底管线与海底面的间隙距离G绘制其物理模型并确定计算域；计算海底管线所受的局部压力系数C_P和局部壁面摩擦系数C_f；根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线悬跨影响系数βC_f；根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及影响系数β采用矢量积分多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数C_D。

技术领域

本发明涉及海底管线分析技术领域，尤其涉及一种基于大长细比悬跨海底 管线拖曳力系数获取方法。

背景技术

海洋油气管道作为连接海上油气平台和陆地设置的脐带线，具有很重要的 工程研究意义，海洋油气管道的在位稳定性研究和工程化应用也一直重点和难 点。海底悬跨管道是其常见的形式。在洋流作用下的海底悬跨管道常被简化为 如图1所述的刚性悬跨管道简图，控制参数有管径D、管长L、间隙比G、以 及来流流场信息Re。

然而当前海洋工程中亟需对海底悬跨管道的水动力进行快速计算，确定悬 跨管道在特定洋流条件下的拖曳力系数C_D和升力系数C_L。拖曳力是作用在上图x 方向的力，拉力是作用在上图y方向的力。拖曳力系数C_D和升力系数C_L对于海 底悬跨管道的在位稳定性有着很重要的影响，并且影响管道的设计。现有的工 程规范和相关设计存在如下问题：1、过于保守，2、忽略了因复杂流场对拖曳 力和升力的影响等问题。

另外对于铺设于近岸海域的海底管道，其所受到的流体作用力主要为水流 力及波浪力。现行的海底管道稳定性设计主要依据DNV-RF-F109(DNV，2011)。 现行设计规范DNV-RF-F109(DNV，2011)将水流(均匀流)和波浪(振荡流) 作用下海底管道水动力系数的估算统一为在不同波浪条件作用下的海底管道受 力。间隙比、边界层厚度和湍流度等影响因素都被量化折减为一系列相对应的 工程参数。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于大长细比悬跨海底管线 拖曳力系数获取方法，具体包括如下步骤：

采集海底管线长度L以及雷诺数Re，计算海底管线在特定工况下的近壁面 流速u；

确定海底管线的物理模型和计算域：根据海底管线的实际尺寸、海底管线 与海底面的间隙距离G绘制其物理模型并确定计算域；

计算海底管线所受的局部压力系数C_P和局部壁面摩擦系数C_f；

根据海底管线悬跨段的物理模型和计算域计算海底管线悬跨影响系数β；

根据获取的管长L、雷诺数Re、间隙距离G以及影响系数β采用矢量积分 多因素综合评估工程化方法计算大悬跨海底管线的拖曳力系数C_D。

进一步的，计算海底管线在特定工况下的近壁面流速u，在仿真软件中设置 水下实际环境参数，采用k-ε模型计算洋流以不同速度即雷诺数Re工况下海底 管线近壁面产生的近壁面流速u。

进一步的，所述海底管线悬跨影响系数β采用如下方式获取：

对海底管线悬跨段的网格进行划分以及设置其边界条件：其中悬跨段计算 域采用混合网格划分，悬跨段壁面区域采用非结构化网格；其他区域采用结构 化网格，将其他区域设置为静止区域，将其他区域入口设置为速度入口条件、 其出口设置为压力出口条件；

在仿真软件中将所述近壁面流速u作为海底管线悬跨段的入口速度，采用 k-ε模型计算出管线绕流速度u对应的海底管线悬跨影响系数β的离散值。