海底悬跨管道地震作用下水动力模型的数值分析.pdf

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1、第25卷第4期中国海洋平台V01．25No．42010年8月CHINAOFFSHOREPLATFORMAug．，2010文章编号：1001—4500(2010)04—0008-06O海底悬跨管道地震作用下水动力模型的数值分析李昕，李秀梅，(大连理工大学，大连李明高116024)摘要：提出地震作用下海底悬跨管道周围流场变化的计算方法，并基于海底悬跨管道水下振动台模型试验条件，建立有限元离散模型，开展试验工况的数值仿真计算，验证了海底悬跨管道地震作用下流体动力分析模型的可行性。并借鉴波流作用下海底管道水动力计算的Morison方程，开展了地震作用下

2、水动力系数影响因素和规律的数值仿真研究。关键词：海底管道；竖向地震运动；计算流体动力学；水动力系数中图分类号：TU311．3文献标识码：ANumericalAnalysisofHydrodynamicForceModelonSubmarinePipelineSubjectedtoEarthquakeLIXin，LIXiu—mei，LIMing—gao(DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)Abstract：Anumericalmethodtocalculatefluidfieldsurr

3、oundingsubmarinepipelinesub—jectedtoearthquakeisproposed．Tovalidatetheproposedmethodofsubseapipelineunderearthquake，finiteelementdiscretizationmodeltestsareconducted，meanwhile，numericalsimulationcorrespondingtoexperimentalcasesiscarriedout．Morisonequationisusedforreferenceto

4、calculatehydrodynamicforceonsubseapipelinesubjecttocurrentandwave，no—mericalstudyonfactorsandtrendsofhydrodynamiccoefficientsrelatedtosubmarinepipelinesubjectedtoearthquakesareachieved．Keywords：submarinepipeline；verticalearthquakemovement；computationalfluiddy—namics；hydrodyn

5、amiccoefficients引言埋置在海床下的海底管道，由于冲刷和淘蚀作用，会裸露于海床上；直接铺设在海床上的管道，由于地形崎岖或者冲刷等原因，管道不可避免地会出现悬空现象。我国属于多地震国家，近海油田处于环太平洋地震带，潜在的地震危险性非常大。在渤海，地震与工作载荷组合成为管道设计的控制条件n]。地震动除了通过海床支承处的地震加速度和位移对管道产生影响，还会在短时间内使裸露管道周围流体产生剧烈的往复运动，从而通过水动力对管道产生间接影响。目前。对波流环境荷载作用下圆柱体的受力及周围流场研究较多：杨烁等[21利用fluent软件，对二维流动

6、问题即二维圆柱扰流问题进行了数值模拟，计算得到圆柱扰流的升阻力系数、流函数等结果；李玉成、陈兵等¨1在大波流水槽中对波浪作用下海底管道的受力进行研究；Yamamot等[4]用势流理论对固壁上水平圆柱●__-___-_-_-____●____-_-_●__-●-一收稿日期：2010—03—12；修改稿收到日期：2010—05—1l基金项目：国家自然科学基金资助项目(重点项目50439010)；国际合作交流项目(NSFC-KOSET，50811140341)作者简介：李昕(1971一)，男，教授，从事海工和水工结构破坏机理和防灾对策研究。第4期李昕

7、等海底悬跨管道地震作用下水动力模型的数值分析·9。的波浪力进行研究；Gryta等‘51基于简化的尾流速度、加速度模型和Morison公式模拟波流在海底管道上产生的水动力；Sumer等[63研究波流共同作用下海底管道受到的水动力与水流速度和悬跨高度的关系。对于地震荷载作用下的动力研究多为水平地震作用下的动力研究[7~8]，对竖向地震作用研究较少。实际上，竖向地震动水压力是不能忽略的。本文利用海底悬跨管道地震作用的模型试验结果，验证了管道一流体相互作用地震反应计算模型的可行性。并基于数值计算结果，给出了地震作用下海底管道受到水动力的拖曳力系数和惯性

8、力系数的影响因素和规律。1海底管道一水体数值分析方法1．1运动控制方程对于粘性不可压缩的牛顿流体，它的运动控制方程为Navier—Stokes(N—S