3個附屬控制桿對立管水動力影響的CFD模擬

(中國石化國際石油工程有限公司，北京 100020)

目前針對立管渦激振動的抑制措施主要分為主動控制和被動控制。典型的被動控制抑制裝置有附屬控制桿[1-2]、螺旋側板[3]、導流板[4]和導流罩[5]等。在被動控制方法中，附屬控制桿是一種經典而流行的裝置，對于深海立管的渦激振動抑制很合適。然而在真實洋流環境下，洋流方向并不是固定不變的，海洋立管所處雷諾數尺度較高，會表現出明顯的繞流三維特性[6]。因此，針對附有附屬控制桿的立管繞流問題，需要應用合理的計算模型以及湍流模型進行三維數值模擬驗證。為此，采用CFD軟件Fluent通過對深海立管周圍等間距分布3個附屬小控制桿的繞流問題進行三維數值模擬，探究高雷諾數下3個附屬控制桿對深海立管水動力的影響作用效果。

1 數值計算方法

1.1 計算模型

針對立管和附屬控制桿，選取計算模型為主圓柱體周圍等距離分布3個小附屬圓柱體，簡化模型見圖1a)。

三維矩形流場長、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，雷諾數為1×105。采用該長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域長度為10D，下游尾流區域長度為20D，兩側展向長度各為10D。4個圓柱體的具體分布見圖1b)，3個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°，考慮到對稱因素，對來流角α在0°～60°進行模擬就足以反映全部360°來流方向下的結果。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(CD)和升力系數(CL)來表征，CD和CL的計算主要依據下式：

(1)

(2)

(3)

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

1.2 邊界條件及網格劃分

計算區域的入口速度取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對計算域分塊劃分六面體結構網格，在構造網格時將計算區域劃分為9部分，在圓柱近壁區進行網格加密，其他區域網格逐漸變稀疏，網格劃分見圖2。

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

(4)

根據D=0.25 m，Re=1×105，確定近壁處第一層網格高度為Δy=4.6×10-5m。近壁處網格增長率取1.2，這樣可以保證邊界層內有足夠多的節點分布。展向網格數目設置為100個，計算網格數達到216.2萬個。

采用大渦模擬(LES)計算方法模擬，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，對流項采用二階迎風格式，取時間步長為0.01 s，殘差控制在10-5以內。

2 立管繞流分析

考慮到不同直徑比d/D和間距比G/D對立管的影響，選取α=0°這一特殊情況對不同直徑比d/D和間距比G/D進行模擬，結果見圖4。

以上模擬結果表明，在立管附近等間距放置3個附屬控制桿可以干擾立管后方流場，改變立管兩側卷吸層的相互作用，并對漩渦的脫落起到抑制作用。圖5為一個周期T時間內3個附屬控制桿分布(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時刻得到的瞬時渦量分布。

由圖5可見，在每個周期T內立管后方都有2個漩渦生成，并且一個呈順時針，另外一個呈逆時針。當在立管附近分布3個附屬控制桿時，附屬桿的存在干擾了立管后方流場，并引起立管后方尾流結構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有所減小，但橫向間距增加，這種現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生脫落。

3 結論

1)附屬控制桿可引起立管后方流場的變化，并對尾跡區的漩渦脫落起到良好的抑制作用，進而有效減弱立管所受到的升力和阻力，對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。

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。但當間距比G/D在0.2～0.3范圍內時規律不同。

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，模擬結果可以為附屬控制桿的設計與安置提供參考。

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

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

[3] 曲晶瑀,楊晶,孫曉峰,等.螺旋側板對立管水動力影響的數值模擬研究[J].中國安全生產科學技術,2017,13(7):156-162.

[4] 趙恩金,拾兵,曹坤.導流板對海底管線渦激振動的影響[J].哈爾濱工程大學學報,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.高雷諾數下圓柱繞流的三維數值模擬[D].杭州中國計量學院,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.