翼板扰流器的参数对海底管线水动力特性的影响.pdf

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1、第42卷第3期2013年06月船海工程SHIP&0CEANENGINEERINGV01．42No．3Jun．2013DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2013．03．046翼板扰流器的参数对海底管线水动力特性的影响刘小华，王永学，王国玉(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：利用计算流体力学数值模拟方法，结合RNGk-e湍流模型，对安装翼板扰流器的海底管线绕流进行了二维数值模拟。以不同布置形式的翼板扰流器为研究对象，通过改变间隙比和翼板高度，探讨其对海底

2、管线绕流水动力特性的影响。计算结果表明：间隙比为0．3时，翼板扰流器抑制的效果更好，受力情况良好，且A60型翼板管线效果最佳；间隙比相同时升力系数和阻力系数随着翼板高度的增加而增大。建议实际工程中，应尽量避免翼板管线的悬空高度，同时可在管线的不同展向安装不同角度的翼板扰流器，以破坏涡旋发放的规律性。关键词：海底管线；翼板扰流器；间隙比；翼板高度；抑制涡旋脱落；水动力中图分类号：U173．8文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)03-0169-05安放在海底的管线，在波浪、海流的冲刷下或是由于海

3、底地形不平整等因素出现悬空，容易发生涡激振动现象，进而出现强度疲劳等破坏。为了减小涡激振动的危害，人们研制了各种涡激抑制装置，如翼板扰流器、屏蔽装置、减振器以及导流板，其中翼板扰流器是最常用的涡激抑制装置。国内外的大部分研究工作主要是通过试验方法研究螺旋翼板和平行翼板对立管绕流特性的影响，目前对安装翼板的海底管跨结构流动分析的数值研究工作仍很少‘1⋯。以海底管线扰流器减振为背景，针对4种翼板形式展开研究，采用水流方向与其逆时针旋转到第一个翼板对称轴的夹角来命名这4种翼板圆柱，分别为A00型、A30型、A60型

4、和A90型，见图1。本文利用计算流体力学数值模拟方法，结合RNGk-e湍流模型，取光滑管线下端与海底面的距离e=1．OD和0．3D两种情况、翼板高度5=0．1D、0．15D和0．20D三种情况，对固定雷诺数下四种翼板管线绕流进行多组数值计算，同时与光滑管线进行对比，分析海底管线流场水动力参收稿日期：2012—12—11修回日期：2012—12—26基金项目：国家自然科学创新研究群体基金(50921001)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2)11CB013702)第一作者简介：刘小华(1989一)，女

5、，硕士生研究方向：带扰流器管线动力特性的数值研究E．mail：liuxhdlut@163．eom图1四种翼板管线几何形状数的变化规律，探讨间隙比、翼板高度比对不同形式翼板抑制涡旋释放效果的影响。1数学模型的建立1．1控制方程采用RNGk-e模型来模拟近底面管线绕流二维流场，将RNG方法用于Ⅳ-S方程并引入湍能后及其耗散率s，得到如下控制方程。连续方程为一0ui：0(1)oaxi动量方程为警+叶箬=一篙+毒[u箬一瓦／Z0xP0x】c2)——+U．——=一一十——IU——一M：．1L二，函’i以i4。批i‘’J

6、。’式中：下标i——坐标分量；Mi——i方向的流体运动速度分量；p——流体压力；169e—e第3期船海工程第42卷￡——时间；t，——流体的运动学粘性系数，“i叶=2／3k8口一"。((札／a吁+OuFgx。)。其中：6ii——克罗内克数；u，——湍流粘性系数。七．占方程为譬+uJ差=毒(。。u差)+2v,S“S#一s(3)i+uJ瓦2瓦Lotu瓦’+“#吖Lj)警+叶考=毒(aeu,蠹)一尺+2c·争焉5一一-cz}面+叶瓦2瓦‘瓦)一““c1Pz3口口叫2i(4)式中：sii=Ou／砒『+讥／以i，Cl—

7、—经验常数，cl=1．42，C2=1．68，a‘=a。=1．39；尺——附加项，R=猫，善箬=涮譬。其中：y——湍流时间尺度与平均流时间尺度之比，Y=Sk／s；S——应变率张量的范数，S=(2S㈩S，)Ⅳ2；y。1在均匀剪切流中的典型值，Y。=4．38，模型常数C。=0．0845，口=0．012。1．2计算域和网格划分数值模型计算区域和对应的边界见图2。图2模型计算域以光滑管线直径D为特征尺度，计算区域的长度取25D，其中管线上游部分为5D，计算域高度为10D。为了保证计算结果的准确，计算网格采用四边形结构化

8、网格，在产生涡街的前后区域内采用网格加密技术，近壁区设定边界层网格。这种网格划分方法既能使整个计算区域得到高质量网格以加快计算的收敛，又能较好地模拟实际海底面以及管线表面上旋涡的生产、脱落、发展和湮灭过程。且根据间隙比e／D和4种翼板管线翼板高度比S／D的不同，建立相应的流场网格进行数值计算。1701．3计算条件的设置翼板管线与光滑管线绕流计算过程取均匀来流，雷诺数Re=800，湍流模型采用RNGk