加载阻流器海底管道自埋效果的数值模拟

单丹丹，逯广东，闫 铁，刘岩岩

加载阻流器海底管道自埋效果的数值模拟

单丹丹1，逯广东1，闫 铁1，刘岩岩2

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318； 2. 辽宁陆海石油装备研究院有限公司，辽宁 盘锦 124000）

为了避免波浪、潮汐、海流等外载荷力的作用，海底管道通常需要进行埋设，一般采用的埋设方法需要用到机械设备，为了保证经济性，英国北海首次采用了在管道上方加载阻流器的方法来实现管道的自埋，并取得了良好的经济效益和环保效果，我国首次应用此技术是在杭州湾海底管道的铺设中，为保证该技术得以广泛应用，在介绍管道自埋机理的基础上，应用流体力学软件FLUENT对有无阻流器的海底管道进行数值模拟，依次将海床假想为固壁及实际泥沙海床两种情况，模拟得出这两种条件下的壁面海床剪应力、管道外表面压力系数、管道正下方水流流速以及管道下方的冲刷坑形态等数据，从而对比说明阻流器的加载对管道自埋的促进作用。阻流器的加载会导致管道上部压力系数增大，引起升力系数下降，也会使得管道底部水流流速增大，引起固壁海床剪应力增大，泥沙海床冲刷坑也明显加深，在自重的作用下，管道的下沉速度较快，从而实现自埋。

阻流器；海底管道；自埋；数值模拟

随着陆地油气资源的日益减少，国内外都放眼于对海洋油气资源的开发与利用，海底管道作为海上油气资源重要的储存和运输工具，正发挥着巨大的作用。裸置的海底管道在恶劣的海洋环境条件下通常不能保持其在位稳定性，所以一般要对管道进行埋设，传统方法是采用先挖沟后回填的方式来实现的，但各类机械设备都比较昂贵，为寻求一种经济有效的方式，国内外逐渐采用在管道上方加载一种被叫做阻流器的类似于鱼鳍的装置，它能实现管道的自然埋入土壤。国外应用此技术的管道较多，但国内只在杭州湾海底管道的铺设中采用过。为此，在这里研究阻流器的加载对管道自埋有哪些促进作用，主要应用流体力学软件 FLUENT进行数值模拟，得出有无阻流器管道的正下方流速、升力系数、表面压力系数及冲刷坑形态等数据情况，从而判断阻流器对管道自埋的重要作用。

1 管道自埋机理

裸置于海床表面的海底管道，在受到海流的冲刷作用，由于管道自身的阻挡作用，会使得水流改道，原来冲刷方向是垂直于管道横断面，变成了沿管道顶部和底部方向的冲刷，底部的分流能够加大底部的水流流速，从而带动泥沙的冲刷，逐渐形成坑道，之后在管道自重的作用下，管道会逐渐下沉，底部被水流携带的泥沙将在管道的背流面堆积，管道在慢慢下沉的过程中这些堆积的泥沙就会在回流的作用下回填使管道埋入土壤，这便是管道的自埋机理。如果在管道上方加载阻流器，与净管（无阻流器管道）相比，阻流器的加载将会对管道周围的流场和压力产生影响，这主要体现在加快管道底部的水流流速，当管道周围水流处于低速状态时，能够促进管道底部海床加速冲刷形成浅沟，这种影响不仅会导致管道周围垂直方向上形成浅沟，还会使得周围横向产生浅沟。阻流器对管道的自埋具有以下作用：

（1）由于阻流器对水流的阻挡作用加大，促使管道上方的水流流速减慢，而下方的流速明显增大；

（2）阻流器的加载使得周围流场变得更稳定，可以增大曳力系数和惯性系数，减小涡激振动，增加管道的稳定性；

（3） 阻流器的存在使得管道表面压力分布产生一个负压力，即升力方向向下，促进管道的下沉。

加载阻流器的海底管道自埋过程见图1［1］。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

模拟应用FLUENT［2］流体力学软件，为验证阻流器的特殊效用，要对有无阻流器的海底管道进行数值模拟，主要研究阻流器的加载对管道下方的水流流速、海床冲刷坑形态、管道表面压力系数、管道升力系数等这些重要因素存在哪些影响，通过分析相关数据的变化情况说明其对管道自埋的促进作用。在模拟过程中只考虑定常海流力对管道的冲刷作用，不考虑波浪等其他环境载荷的影响。

本文以杭州湾海底管道［3］为研究对象，模拟中依据实际的设计参数，其中管道外直径D=791 mm，这包括管道内直径φ711 mm ×14.3 mm和外层混凝土的厚度40 mm，相关参数见表1。

假想的固壁海床模型的计算域选为20 m×4 m，左下角为坐标原点，以纯水作为流体材料，其密度值大小为ρ=998.2 kg/m3，粘性系数μ=0.001003 kg/(m·s)，实际泥沙海床模型域选取为20 m×6 m，其中泥沙层厚度2 m，原点同样位于左下角，泥沙的设计参数选取为比重2.68，中值粒径d50=0.5 mm，粘性10 kg/(m·s)。可变的参数有阻流器的高度h及管道与海床间的缝隙宽度e以及来流流速v，对下表2所示的加载阻流器的9种工况与不加阻流器的3种工况进行数值模拟分析，来研究阻流器对管道自埋的影响。

这样，建立的固壁和实际泥沙海床条件下的模型图分别如图2（a）、（b）所示。

相应的边界条件如表3（a）、（b）所示。

2.2 结果分析

（1）阻流器对管道周围冲刷的影响

对于假想的固壁海床情况，可以观察管道周围流场的分布情况来研究阻流器的作用。模拟出管道在v=1 m/s的均匀来流，缝隙宽度e=D/4=0.19 mm的条件下的流场。

由于管道和阻流器的存在，周边的流场流速梯度加大了，并且与无阻流器的管道相比，这种现象更明显。在固壁海床的情况下，管道底部流速较低的区域变小，管道顶部流速变小，流速较大的区域被阻流板抬高到阻流器的上方，管道位于阻流器掩护范围内。

对于实际泥沙海床，可以通过观察冲刷坑的形态判断有无阻流器下的管道周围冲刷情况。图3所示为t=30 min，e=D/4=0.19 mm，v=1 m/s条件下的加载不同高度阻流器的管道周围冲刷坑形态。

可见，冲刷坑集中在管道附近不远处，距离管道越近冲刷坑越明显；管道背流面的紊动强度在阻流器的影响下会增大，而底部水流流速由于管道和阻流器的阻挡也会相应变大，促进冲刷；阻流器的高度增加又会使冲刷坑坡面变陡峭，并且阻流器会抬高后方水流，水流携带着泥沙倒流，使泥沙回填加快。

（2）阻流器对管道表面压力系数影响t= ，缝隙宽度为D/8，D/4，和D时管道表面的压力分布。

通过对比分析，可以看出：

缝隙宽度增加，管道后方的表面压力增大明显［5］，当eD= 时，后方压力甚至与前方压力持平，整体压力系数变化不大；管线前部和后部的压力分布不对称，产生拖曳力，加载阻流器后，使得拖曳力变大，冲刷开始；管线的顶部和底部也存在压力差，产生垂向升力，加载阻流器后，升力系数减小。

（3）阻流器对管道正下方床面影响

对于固壁海床，模拟出整个海床平面上的剪应力（图5(a)），横坐标为海床面上各点距离坐标原点的位置，单位是m，纵坐标为剪应力，单位是Pa；

图4（a）～（d）分别为时间 10min对于实际泥沙海床，可以模拟管道正下方的流速情况（图5(b)），横坐标代表管道距离底边界的高度，单位是m，纵坐标为水流流速，单位是m/s。

可以看出，管道正下方的床面剪应力最大，并且随着阻流器高度的增加，床面剪应力也相应增大，但是高度的增加对剪应力的增大是在一定范围内效果明显的，在高度由0.25D增加至0.375D时管道下方海床剪应力的增加值便不很明显。对于实际泥沙海床管道下方的水流流速变化，可以得出同样的结论。

3 结 论

海底管道在加载阻流器后会实现自埋，这在之前许多研究中都有相关论证，不过研究大多体现在应用方面，应用基础理论加以解释的不多，本文依据杭州湾海底管道的铺设为现实依据，应用FLUENT软件进行数值模拟，对比分析管道在有无阻流器[6]状态下的自埋影响因素，进一步弄清了海流作用下的管线的一些特性，并得出如下结论：

（1）阻流器会对管道周围的冲刷起到促进作用，与不加阻流器的管道相比，阻流器促使水流冲刷管道下方海床，使得管道下方冲刷坑明显，而且由于阻流器的阻挡作用，影响其后方的水流造成回流，带动着泥沙回填，会加速管道的自埋。

（2）通过对不同工况下的管道表面压力系数数据的对比分析，可以得出，阻流器的加载会影响管线前后和上下的压力差，前后压差使管道发生左右移动，促进管线冲刷悬空，上下压差产生垂向升力，使升力系数减小，有利于管道自埋。

（3）探讨阻流器对管道正下方床面的影响，得出随阻流器高度的增加，对管道周围海床的冲刷也随之加大，但这种促进并非更明显，所以为了保证经济性，选择合理的阻流器高度很重要，其选择应根据管道的直径及实际海域地质情况来确定。

［1］陈国祥，李春，唐海燕. 采用阻流板的海底管道自埋技术[J]. 中国造船, 2005, 46(增刊): 367-371.

［2］江帆，黄鹏. FLUENT高级应用与实例分析[M]. 北京：清华大学出版社: 7; 14; 149-162.

［3］来向华，叶银灿，韦雁机，苟诤慷，傅晓明.杭州湾海底管道冲刷自埋演化过程初步研究[J]. 海洋学研究,2011,29(2):65-71.

［4］Jianping Zhao, Xuechao Wang. CFD numerical simulation of the submarine pipeline with a Spoiler[J]. Journal of offshore mechanics and Arctic Engineering, ASME, 2009.

［5］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].石油机械, 2007, 35(6):8-10.

［6］杨立鹏．波浪作用下的海底管线冲刷与防护技术研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2012．

Numerical Simulation of Submarine Pipeline Self-burial Effect With a Spoiler

SHAN Dan-dan1,LU Guang-dong1,TIE Yan1,LIU Yan-yan2
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Liaoning Land-sea Petroleum Equipment Research Institute Co., Ltd., Liaoning Panjin 124000，China）

In order to avoid the external forces of wave, tide and current loads, the submarine pipeline usually needs to be buried. The buried process usually needs to use mechanical equipments. For ensuring economy, the self-burial of pipeline was firstly realized by loading a spoiler on the pipe in UK North Sea, and good economic benefit and environmental protection effect were achieved. The first application of this technique in China was to lay Hangzhou Bay’s submarine pipeline. To popularize the technology, the fluid dynamics software FLUENT was used to simulate the pipeline with a spoiler or not on the basis of introducing the self-burial mechanism of pipeline. The seabed was assumed to be solid wall and actual sediment in turn. Then the wall shear stress, the pressure coefficient of pipeline external surface, the flow rate under the pipeline and the scour pits morphology under the pipe were obtained. By contrasting, it can be seen that spoiler adding can promote the self-burial of pipeline. The loading of spoiler can lead to the upper pressure coefficient increasing of pipeline which will cause the lift coefficient decrease, increase the flow rate under the pipeline to cause the wall shear stress increase, the scour pits of sediment seabed will significantly deepened. Therefore, under the action of self-weight, the sinking speed of pipe is faster, and the pipeline realizes self-burial.

Spoiler; Submarine pipeline; Self-burial; Numerical simulation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1067-04

2014-12-08

单丹丹（1984-），女，黑龙江双鸭山人，讲师，硕士，2011年毕业于哈尔滨工程大学港口、海岸及近海工程专业，研究方向：海洋油气工程。