鞠少棟,陳國(guó)明,盛磊祥,暢元江

(中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

基于 CFD的深水隔水管螺旋列板幾何參數(shù)優(yōu)選

鞠少棟,陳國(guó)明,盛磊祥,暢元江

(中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD),利用 FLUENT軟件計(jì)算亞臨界雷諾數(shù)條件下隔水管和螺旋列板的升力系數(shù)和曳力系數(shù)等流場(chǎng)參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比;以流場(chǎng)參數(shù)為目標(biāo)函數(shù),建立正交數(shù)值模擬試驗(yàn),并對(duì)螺旋列板幾何參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,確定幾何特性對(duì)列板性能的敏感度。結(jié)果表明:列板高度和條數(shù)對(duì)減振功效和曳力性能都有顯著影響;優(yōu)化的幾何參數(shù)組合可為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中螺旋列板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

隔水管;渦激抑制;參數(shù)優(yōu)選

Key worlds:riser;vortex-induced vibration(V IV)suppression;parameter opt imization

隨著海洋油氣勘探與生產(chǎn)進(jìn)入深水和超深水領(lǐng)域,渦激振動(dòng)成為隔水管失效的重要因素[1]。為了避免或減小渦激振動(dòng)造成的危害,目前已研制了多種不同的渦激抑制裝置。作為渦激振動(dòng)控制方法中的代表技術(shù),螺旋列板 (helical strakes)對(duì)深水隔水管渦激振動(dòng)具有較好的抑制效果,疲勞損傷可以減小 80%以上[2]。螺旋列板減振的本質(zhì)機(jī)制是[3]通過(guò)不斷改變徑向的來(lái)流分離角度擾亂漩渦的空間相關(guān)長(zhǎng)度,從而削弱漩渦強(qiáng)度并達(dá)到減小升力的目的。這種裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于 Serrano,Oregano和 Brutus等多個(gè)平臺(tái)。螺旋列板結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,以往試驗(yàn)只研究單一幾何因素與列板性能之間的關(guān)系,參考價(jià)值具有一定局限性。筆者利用 CFD方法對(duì)螺旋列板流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算,綜合考慮列板高度、條數(shù)和螺距等幾何因素對(duì)升力和曳力的影響,設(shè)定數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行多目標(biāo)敏感性分析,在此基礎(chǔ)上選出螺旋列板最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

1 螺旋列板幾何特性

螺旋列板的性能被自身的幾何特性所控制,但列板性能對(duì)幾何尺寸的敏感度尚未得到完全理解。關(guān)于螺旋列板的應(yīng)用,有兩個(gè)基本問(wèn)題需要解決: (1)確定列板的尺寸,如螺紋的高度與螺距;(2)確定列板覆蓋長(zhǎng)度。圖 1所示的是已裝在隔水管上的螺旋列板[4]。Frank等[5]對(duì) 3線螺紋、高 0.25D、螺距 16D的列板模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論一致流場(chǎng)還是剪切流場(chǎng),圓柱體的響應(yīng)振幅隨著列板覆蓋范圍的增大而降低,而當(dāng)圓柱體全部覆蓋列板后,響應(yīng)振幅的降低幅度可超過(guò) 95%。

螺旋列板的幾何特性可以通過(guò)高度、螺距以及螺旋列板條數(shù)來(lái)表述,高度與螺距通常表示為外徑D的倍數(shù)。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明,高度對(duì)列板性能的影響非常敏感[6],對(duì)于海洋環(huán)境,列板高度一般可取為(0.15～0.25)D。高度小于 0.1D時(shí),列板的減振功效不顯著,但高度增大時(shí),列板的曳力系數(shù)隨之增大。螺距對(duì)列板性能的影響不甚敏感,合適的螺距為(15～17.5)D。

圖1 螺旋列板Fig.1 Helical strakes

2 螺旋列板流場(chǎng)參數(shù)計(jì)算

2.1 正交數(shù)值模擬試驗(yàn)

渦激抑制和減小曳力是改善隔水管作業(yè)條件的關(guān)鍵問(wèn)題[7]。升力是衡量螺旋列板渦激抑制功效的重要參數(shù),但減小升力不能以過(guò)度增大曳力作為代價(jià)?？紤]影響升力和曳力的螺旋列板幾何參數(shù),設(shè)計(jì)正交數(shù)值模擬試驗(yàn)L9(34)并進(jìn)行編碼 (表 1)。螺旋列板各幾何參數(shù)之間無(wú)交互作用。

利用 Pro/E軟件建立螺旋列板三維模型并導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行螺旋列板流場(chǎng)參數(shù)的分析計(jì)算。流場(chǎng)雷諾數(shù)取亞臨界狀態(tài)Re=2.5×105。湍流模型采用大渦模擬[8],時(shí)間積分方案選擇二階精度的SIMPLE半隱式方案,基于有限體積法的空間離散格式,為克服假擴(kuò)散,選擇具有二階精度的二階迎風(fēng)格式。

表1 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Simulated exper iment design

2.2 流場(chǎng)參數(shù)分析

為了避免重復(fù)性工作和便于結(jié)果比較,在 Pro/ E建模過(guò)程中僅須改變幾何因素參數(shù),即可導(dǎo)入重新進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果Table 2 Numerical s imulation results

對(duì)比隔水管的升力系數(shù)幅值 0.346和曳力系數(shù)最大值 0.593[9],螺旋列板能夠明顯減小隔水管升力系數(shù),具有抑制橫向渦激的作用,但曳力系數(shù)顯著增加,將引起隔水管頂部張力和固定端彎矩增大。試驗(yàn) 3和試驗(yàn) 5的升力系數(shù)和曳力系數(shù)變化曲線如圖 2,3所示。升力系數(shù)變化呈多頻特性,曳力系數(shù)基本保持穩(wěn)定。

圖2 試驗(yàn)3升力系數(shù)和曳力系數(shù)Fig.2 Lift coefficient and drag coefficient of test 3

圖 3 試驗(yàn) 5升力系數(shù)和曳力系數(shù)Fig.3 Lift coefficient and drag coefficient of test 5

3 幾何參數(shù)敏感性分析

3.1 極 差

螺旋列板要求升力和曳力兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)達(dá)到最小值,對(duì)于多指標(biāo)試驗(yàn)采用單指標(biāo)分析綜合處理法分別對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析(表 3)。

表3 升力系數(shù)幅值極差分析Table 3 Range analysis for lift coefficient amplitude

由極差分析可知,對(duì)升力系數(shù)幅值影響最大的幾何因素是列板高度B,高度越大,列板升力系數(shù)越小,爾后依次是列板條數(shù)A、螺距C。按照影響的大小順序依次選取各幾何因素列中數(shù)值最小的水平,即螺旋列板的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為B3A3C1。

表 4為曳力系數(shù)最大值極差分析。由表 4可知,對(duì)曳力系數(shù)最大值影響最大的幾何因素是列板條數(shù)A,條數(shù)越多,列板曳力系數(shù)越大,爾后依次是列板高度B、螺距C。螺旋列板的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為A1B1C3。

表4 曳力系數(shù)最大值極差分析Table 4 Range analysis for drag coefficientmax imum

極差分析表明,影響升力系數(shù)最大的因素是列板高度,而影響曳力系數(shù)最大的因素是列板條數(shù),所以單純通過(guò)極差分析無(wú)法確定螺旋列板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。極差分析的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、計(jì)算工作量小[10],但該方法判斷因素效應(yīng)的精度低,不能給出試驗(yàn)誤差大小的估計(jì),在試驗(yàn)誤差較大時(shí)往往可能造成誤判。

3.2 方差分析

方差分析能充分利用試驗(yàn)得到的信息,估計(jì)試驗(yàn)誤差,判斷因素影響的精度高。

試驗(yàn)考察的指標(biāo)有兩個(gè),單獨(dú)考察各個(gè)影響因素對(duì)每個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性。

各幾何因素對(duì)升力系數(shù)影響的顯著性如表 5所示。由表 5可知,列板高度對(duì)升力系數(shù)的影響是高度顯著,說(shuō)明列板高度變化對(duì)螺旋列板的減振特性影響最大。

表5 升力系數(shù)方差分析Table 5 Variance analysis for lift coefficient

各幾何因素對(duì)曳力系數(shù)影響的顯著性如表 6所示。由表 6可知,所有的因素在顯著性水平為 0.01時(shí)對(duì)曳力系數(shù)的影響都不顯著。造成這個(gè)結(jié)果的原因是誤差較大,誤差自由度較小,檢驗(yàn)靈敏度不高。為了提高檢驗(yàn)的靈敏度,可將影響最不顯著的螺距所對(duì)應(yīng)的偏差平方和并入誤差平方和,其相應(yīng)的自由度也并入誤差自由度,然后得到修正后的分析結(jié)果(表 7)。

由表 7可知,列板條數(shù)和列板高度在顯著性水平為 0.01時(shí)為高度顯著,且列板條數(shù)的顯著性大于列板高度。

表6 曳力系數(shù)方差分析Table 6 Variance analysis for drag coefficient

表7 修正后的曳力系數(shù)方差分析Table 7 Var iance analysis for modified drag coefficient

基于正交試驗(yàn)的螺旋列板幾何參數(shù)敏感性分析的方差分析表明,在 0.01顯著性水平下,列板條數(shù)和高度對(duì)螺旋列板的減振和曳力性能都具有顯著性影響,而螺距的影響很小。列板條數(shù)和高度越大,升力系數(shù)越小,列板條數(shù)和高度越小,曳力系數(shù)越小?？紤]工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)曳力太大會(huì)顯著增大隔水管頂部張力和固定端彎矩的不利影響,同時(shí)兼顧節(jié)省材料的目的,建議螺旋列板的條數(shù)和高度參數(shù)取中間值以同時(shí)兼顧減振和減小曳力的功效,螺距取較大值,即螺旋列板優(yōu)選結(jié)構(gòu)為A2B2C3。

4 結(jié) 論

(1)在亞臨界狀態(tài)(Re=2.5×105)下,螺旋列板升力系數(shù)幅值遠(yuǎn)小于隔水管,曳力系數(shù)值顯著增大,將引起隔水管頂部張力和固定端彎矩增大。

(2)對(duì)升力系數(shù)影響最大的因素是列板高度,高度越大,列板減振效果越好;對(duì)曳力系數(shù)影響最大的因素是列板條數(shù),隨著條數(shù)增多曳力變大,引起隔水管連接處轉(zhuǎn)角增大,隔水管更容易損壞。

(3)列板高度和條數(shù)對(duì)減振和曳力性能都有顯著性影響,螺距幾乎沒(méi)有影響。列板高度和條數(shù)的高敏感度符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用規(guī)律。

(4)綜合考慮工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)各種因素的影響,建議螺旋列板的條數(shù)和高度參數(shù)取中間值,螺距取較大值,螺旋列板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為列板條數(shù) 3條、列板高度 0.15D、螺距 17D。

[1] 孫友義,陳國(guó)明,暢元江.深水鋁合金隔水管渦激振動(dòng)疲勞特性 [J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008,32(1):100-104.

SUNYou-yi,CHENGuo-ming,CHANG Yuanjiang.Vortex-induced vibration fatigue characteristic of deepwater aluminum alloy riser[J].Journal of China U-niversity of Petroleum(Edition of Natural Science), 2008,32(1):100-104.

[2] HOWELLSH,BOWMANJ.Drilling riser/well system interaction in deepwater,harsh environments[R].2H Offshore EngineeringLimited,1997.

[3] ALLENW,LEE L,HENN INGD L.Fairings versus helical strakes for suppression of vortex-induced vibration: technical comparisons:proceedings of the 2008 Offshore Technology Conference,2008[C].Houston:c2008.

[4] ARMSTRONG SP.Planning,procedures,and results of a deepwater vertical SCRV IV suppression retrofitproject: proceedings of the 2006 Offshore Technology Conference, 2006[C].Houston:c2006.

[5] FRANKW R,TONARELLIMA,SLOCUMST,et al. Flow-induced vibration of a long flexible,straked cylinder in uniform and linearly sheared currents:proceedings of the 2004 Offshore Technology Conference,2004[C]. Houston:c2004.

[6] ALLENW,HENN ING D L,LEE L.Performance comparisons of helical strakes for V IV suppression of risers and tendons:proceedings of the 2004 Offshore Technology Conference,2004[C].Houston:c2004.

[7] TAGGART S,TONGNARELLIMA.Offshore drilling riser V IV suppression devices:proceedings of OMAE2008 27thInternational Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering,20008[C].Estoril:c2008.

[8] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:139-142.

[9] 盛磊祥.海洋管柱結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)流體動(dòng)力學(xué)分析[D].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2008:31-39.

[10] 何少華.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理 [M].湖南:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2002:70-72.

CFD-based opt im ization for geometric parameters of deepwater riser helical strakes

JU Shao-dong,CHENGuo-ming,SHENGLei-xiang,CHANG Yuan-jiang

(College of Mechanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

Based on CFD theory,the difference of flow field parameters,including lift coefficient and drag coefficient,was compared and analyzed using FLUENT software,be tween helical strakes and riser in the subcritical conditions of Reynolds number.Taking flow field parameters as the objective function,an orthogonal exper iment of numerical simulation was perfor med and the sensitivity analysiswas applied on the helical strakes′geometric parameters to determine the sensibilityof geometrical property.The results show that the variation of the strake height and the numberof strip has a significant affection on vortex-induced vibration(V IV)suppression and drag force,and an optimized structure may provide the reference for the structural design.

TE 58

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.022

1673-5005(2010)02-0110-04

2009-06-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50904078);國(guó)家大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)子課題(2008ZX05026-001-07)

鞠少棟(1984-),男(漢族),山東濰坊人,博士研究生,從事深海石油裝備方面的研究。

(編輯 沈玉英)