管汇下放过程中的水动力系数计算

戚星罗晓兰张德华徐丽美王丽男赵毅
(中国石油大学(北京) )
摘要:管汇是水下生产系统中的重要组成部分，精确确定管汇的水动力系数，对于保证管汇 安全安装有着重要意义。通过数值模拟的方法，利用前处理软件 ICEM ，建立管汇模型;利用流体 软件 FLUENT 中的 UDF 技术及动网格模型，模拟管汇的匀速运动及加速运动，得到管汇在运动中 受到的阻力;无因次化后，得到管汇的水动力系数。使用同样的方法计算了长方体模型的水动力 系数，并与规范 DNV-RP-H103 中的值进行对比，结果误差在 3% 以内。采用的研究方法具有一定 的精度和可靠性，可以为管汇的下放安装提供指导。
管汇受到的附加质量力为定值且当管汇运动速度较小时附加质量力远大于流体阻力而随着管汇速度增大管汇受到的流体阻力逐渐增大并超过管汇所受到的附加质量力
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石油机械
CHINA PETROLEUM MACHINERY
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ficient of the manifold was obtained. 四e hy曲。d严1缸nic coefficient of the cuboid model w副 calculated using the sa皿e method and compared with the values in 由e Specification DNV-RP-HI03. 咀le resulting error of less than 3% proved 由at the proposed me也.od has certain accuracy and reliability , and can provide guidance for the manifold deploying.
和偏摆运动。此外，安装船的运动也会通过缆绳传 递给管汇。这使得管汇在下放过程中，与周围海水 的相对速度和相对加速度变化剧烈，由此可能产生 非常大的水动力作用，主要包括流体阻力和附加质 量力。因此，准确地确定管汇的水动力系数，对于 计算管汇载荷以及提高安全作业系数有着十分重要 的意义。
常用的获得水动力系数的方法主要有 3 种 [1] :
numerical simulation method , ICEM was used ωestablish the manifold model. The UDF technology and dynamic grid model in f1uid software FLUENT were used to simulate the uniform motion and acceleration motion of the manifold ，回跑怡 attain the motion resistance of the manifold. Mter the non-dimensionalization ，也e hy'世odynamic coef-
关键词:管汇; FLUENT; 水动力系数;附加质量系数;无因次化 中固分类号: TE952 文献标识码: A doi: 10. 160821j. cnki. issn. 1∞ 1-4578. 2018. 08.ω7
Calculation oC Hy也'od严部时c Coefficients in the Process oC ManiCold Deploying
Keywords: manifold; FLUENT; hydrodynamic coefficient; additional mass coefficient; non-dimensionalization
0 引言
海洋水下生产设备具有高投入、高风险和高技 术等特点。水下管汇可以将来自采油树的袖气汇集 起来，并将其外输至海底管线，是水下生产系统中 重要的组成部分。管汇在下放过程中，除下放速度 外，由于受海流及海浪的影响，会产生一定的升沉
事基金项目:国家科技重太专项"海工模式优选决策系统" (2016ZX05033-∞4-00的。
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模型试验、半理论半经验公式估算以及计算流体力
学( compute fluid d验结果精确，但花费较大，且试验周期长，经验
笔者利用 CFD 软件 FLUENT ，建立管汇周围的 流场，模拟管汇在水中的匀速运动;同时采用动网 格技术，模拟管汇在水中的加速运动，得到管汇的 受力情况，并将其无因次化，得到管汇的阻力系数 与附加质量系数。此外 笔者还用相同方法计算了 标准长方体的阻力系数和附加质量系数，并与规范 DNV-RP-H103 中的试验值进行对比，验证了结果 的准确性。
Qi Yu Luo Xiaolan Zhang Dehua Xu Limei Wa吨Linan Zhao Yi (China UniæTsity of Petrokum (Beifi暗) )
Abstract: 白le manifold is an impo此ant part of 由e subsea production system. Accurately understanding 由e hy'也叫ynamic coefficient of the manifold is of 伊at si伊ificance for the safe deploying of the manifold. ßased on 由e
公式在计算复杂形状物体时会有较大的误差，而 CFD 计算则有着精度高和成本低等优点，适用于 水下管汇的水动力系数求解。目前，已有一些数值 计算应用到结构物的水动力及水动力系数求解上。 金占礼等 [2J 通过有限元计算，提出了计算一般结 构物水动力系数时，流体范围可取结构物尺寸的 6 -7 倍;汤两等问利用 FLUENT 研究了管汇的非惯 性水动力系数，即阻力系数，但对由加速度引起的 附加质量力及其附加质量系数并未做进一步的研 究;黄昆仑等问利用 FLUENT 软件，通过傅立叶 变换和线性假定条件得到了潜器的水动力系数。