海底管道自埋的数值模拟

海底管道自埋的数值模拟单丹丹

（哈尔滨工程大学哈尔滨150001）摘要：由于海底管道通常的埋设方法需要消耗较多的人力、物力、财力，为了更经济的实现海底管道的埋设，目前国内外正在研究一种方法-一即在管道上方加载阻流器，以实现其自埋。本文是用数值模拟的方法，分析海底管道的自埋原理，并研究有无阻流器的海底管道在水沙两相流的作用下的冲刷对比情况，从而说明阻流器对海底管道自埋的促进作用。关键词：阻流器海底管道自埋原理数值模拟1、 引言随着近海石油开发规模的不断扩大和发展，尤其是油气混输技术的成熟和应用，采用管网方式输送取得了良好的经济效益。在整个渤海湾地区的海上油气勘探开发中，已铺设了几百公里的海底管道，形成了纵横交错的海底输油网【1】。自从英国1988年首次运用自埋技术铺设海底管道以来，至今，国内外采用此项技术铺设的海底管道已有数百公里，均取得了良好的效果⑵。由于目前国内尚无针对带阻流板的海底管道管跨结构的流体动力学分析和现场试验，鉴于国外对阻流板的应用经验和研究进展，为促进阻流板在海底管道铺设工程中的应用，有必要对海底管道特别是加载阻流器海底管道自埋机理进行研究，以实现自埋技术得以在我国广泛运用。2、 加载阻流器的海底管道自埋机理由于在管道上方安装类似鱼“鳍”的阻流板，当海底管道的路由垂直于海水的流动方向时，海水受到阻流板的阻挡会改变流动方向产生涡流，钢管下方的海水受到压缩，其流动速度会增大，海水会冲刷管道底部的土壤，将淤泥带走，利用管道的自重和阻流板产生的动力，将管道逐步压入海底土壤中，直至埋设到管径的1〜1.5倍的深度，最终会将“鳍”也埋设到海底。阻流板自埋挖沟原理见图1，海底管道自埋过程见图2。在管道运行过程中海床若有变化，管道上的“鳍”将会继续发挥作用，一如既往地自动调节管道的埋设深度【3】。

△ 第-济段坑道效应,E f 管道在下沉 0 第--阶段部分橙埋我二^^一 户始逆向冲制〜- —4 一 管道处于两侧神刷f 人、—一^ 形成的晋带 b A第二阶段坑道效应一V一管道下陷第二睨段部分掩埋 K 自城间填，海床平面

c 好图1阻流板自埋挖沟原理 图2海底管道自埋过程示意图3、应用FLUENT进行海底管道自埋的数值模拟3.1模型的建立用FLUENTr4模拟海流对有无阻流器的海底管道进行冲刷，研究水沙两相流的流态变化以及管道下方流速的情况。在本次模拟中，只考虑海流的作用，波浪和风的作用忽略不计。在计算模型中，管道直径D=800mm，计算域的面积为20mX4m，其中沙土层高度为2m,上层为自由水流，阻流板的高度设为2mm,A口流速0.1ms，具体模型图如下图3所示。图3计算模型图3.2结果分析本文将时间步长设置为0.001S，通过分析有无阻流器的海底管道在迭代2000步时的相分布，流线图以及管道下方流速情况说明阻流器对海底管道自埋的促进作用。

相分布由于阻流器的存在，会使水流更剧烈的冲刷海底管道，而在管道后方造成泥沙的堆积，将管道进行埋没，能明显的加快管道的自埋效果，如下图4所示。图4-1未加阻流器管道迭代2000步时的相分布图流线图由于管道搁置在泥沙层上，上层来流大部分会绕过管道继续前行，冲刷泥沙并不是很明显，而加载阻流器后，由于阻流器的阻挡作用，导致一部分水流绕过管道底部冲刷其下的泥沙，带走一部分泥沙，从而使管道下方产生冲刷坑，更易实现管道的自埋，如下图5所示。

图5-1未加阻流器管道迭代2000步时的流线图图5-2加阻流器管道迭代2000步时的流线图在管道下方设置一个监控面，用于监视管道下方附近的水流流速，由于阻流器的影响，会使管道下方水流流速增大，由下图6所示，在管道下方流速图5-2加阻流器管道迭代2000步时的流线图在管道下方设置一个监控面，用于监视管道下方附近的水流流速，由于阻流器的影响，会使管道下方水流流速增大，由下图6所示，在无阻流器时，管道下方的流速最大，大约3.5m"，有阻流器时，管道下方流速左侧峰值达到4.5m'S，右侧最小也达到2.8m《S，且管道后方流速增加显著，这样就使得海水冲刷管道下面的海床更为剧烈，沿管道冲刷出一道沟来，管道靠自重下降到沟内，实现自埋。图6-1未加阻流器管道迭代2000步时管道下方流速图6-2加阻流器管道迭代2000步时管道下方流速3.3结论通过模拟分析可知，阻流器有如下作用：（1） 阻流器会导致管道后方泥沙堆积，有利于埋没管道；（2） 使水流改道冲刷管道下方泥沙，更容易产生冲刷坑；（3） 提高了管道下方的水流流速，改变了流场分布，使流场变得平稳。参考文献：［1］ 吴钰骅，海底管道一流体一海床相互作用机理和监测技术研究，1页.［2］ 王学超，赵建平，阻流器对海底管道自埋效果的数值模拟分析，［J］石油机