3个附属控制杆对立管水动力影响的CFD模拟

(中国石化国际石油工程有限公司，北京 100020)

目前针对立管涡激振动的抑制措施主要分为主动控制和被动控制。典型的被动控制抑制装置有附属控制杆[1-2]、螺旋侧板[3]、导流板[4]和导流罩[5]等。在被动控制方法中，附属控制杆是一种经典而流行的装置，对于深海立管的涡激振动抑制很合适。然而在真实洋流环境下，洋流方向并不是固定不变的，海洋立管所处雷诺数尺度较高，会表现出明显的绕流三维特性[6]。因此，针对附有附属控制杆的立管绕流问题，需要应用合理的计算模型以及湍流模型进行三维数值模拟验证。为此，采用CFD软件Fluent通过对深海立管周围等间距分布3个附属小控制杆的绕流问题进行三维数值模拟，探究高雷诺数下3个附属控制杆对深海立管水动力的影响作用效果。

1 数值计算方法

1.1 计算模型

针对立管和附属控制杆，选取计算模型为主圆柱体周围等距离分布3个小附属圆柱体，简化模型见图1a)。

三维矩形流场长、宽、高为30D、20D、10D，D为主圆柱体直径，D=0.25 m，来流速度为0.4 m/s，雷诺数为1×105。采用该长宽比足以捕捉主圆柱体附近的尾流特性[7]。其中，主圆柱体上游来流区域长度为10D，下游尾流区域长度为20D，两侧展向长度各为10D。4个圆柱体的具体分布见图1b)，3个等直径的附属圆柱体等间距分布在主圆柱体的周围。每2根附属管的夹角为120°，考虑到对称因素，对来流角α在0°～60°进行模拟就足以反映全部360°来流方向下的结果。主圆柱体与附属圆柱体的柱面最小距离为G，来流角α为主圆柱体与附属圆柱体的中心连线和X轴正方向夹角。

参照以上定义，d/D为立管与附属控制杆的直径比，G/D为立管与附属控制杆的间距比。立管上受的力主要通过阻力系数(CD)和升力系数(CL)来表征，CD和CL的计算主要依据下式：

(1)

(2)

(3)

式中：fs为漩涡脱落频率，Hz，通过对升力系数曲线进行快速傅里叶变换(FFT)求得。

1.2 边界条件及网格划分

计算区域的入口速度取0.4 m/s。边界壁面及圆柱体壁面选取为无滑移壁面条件，出口采用自由出流。通过ICEM对计算域分块划分六面体结构网格，在构造网格时将计算区域划分为9部分，在圆柱近壁区进行网格加密，其他区域网格逐渐变稀疏，网格划分见图2。

沿立管和附属控制杆径向第一层网格高度的选取符合y+≈1，根据下式估算沿柱面第一层网格高度Δy。

(4)

根据D=0.25 m，Re=1×105，确定近壁处第一层网格高度为Δy=4.6×10-5m。近壁处网格增长率取1.2，这样可以保证边界层内有足够多的节点分布。展向网格数目设置为100个，计算网格数达到216.2万个。

采用大涡模拟(LES)计算方法模拟，压力速度耦合方程使用PISO算法，离散格式采用有界中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，取时间步长为0.01 s，残差控制在10-5以内。

2 立管绕流分析

考虑到不同直径比d/D和间距比G/D对立管的影响，选取α=0°这一特殊情况对不同直径比d/D和间距比G/D进行模拟，结果见图4。

以上模拟结果表明，在立管附近等间距放置3个附属控制杆可以干扰立管后方流场，改变立管两侧卷吸层的相互作用，并对漩涡的脱落起到抑制作用。图5为一个周期T时间内3个附属控制杆分布(α=0°，d/D=0.3，G/D=0.3)与单圆柱体绕流在0T、0.25T、0.5T、0.75T及T时刻得到的瞬时涡量分布。

由图5可见，在每个周期T内立管后方都有2个漩涡生成，并且一个呈顺时针，另外一个呈逆时针。当在立管附近分布3个附属控制杆时，附属杆的存在干扰了立管后方流场，并引起立管后方尾流结构和漩涡脱落模式的改变，这是立管所受升、阻力变化的主要原因。立管后方两排漩涡的垂直间距较单圆柱绕流时有所减小，但横向间距增加，这种现象影响了漩涡的脱落，并且使漩涡在距离立管更后方的位置发生脱落。

3 结论

1)附属控制杆可引起立管后方流场的变化，并对尾迹区的漩涡脱落起到良好的抑制作用，进而有效减弱立管所受到的升力和阻力，对升力的抑制效果更为明显。抑制效果与来流角度α、圆柱直径比d/D和圆柱间距比G/D有关。

3)Sr随来流角α和间距比G/D的增大而增大，随直径比d/D的增大而减小。但当间距比G/D在0.2～0.3范围内时规律不同。

4)附属控制杆的抑制作用满足任意来流角度，抑制效果具有全向性，模拟结果可以为附属控制杆的设计与安置提供参考。

[1] 曲晶瑀,杨晶,孙晓峰,等.附属管线对隔水管涡激振动影响的数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术,2017,13(2):153-158.

[2] 宋吉宁,吕林,张建侨,等.三根附属控制杆对海洋立管涡激振动抑制作用实验研究[J].海洋工程,2009,27(3):23-29.

[3] 曲晶瑀,杨晶,孙晓峰,等.螺旋侧板对立管水动力影响的数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术,2017,13(7):156-162.

[4] 赵恩金,拾兵,曹坤.导流板对海底管线涡激振动的影响[J].哈尔滨工程大学学报,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.高雷诺数下圆柱绕流的三维数值模拟[D].杭州中国计量学院,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.