安利姣 馬貴陽 關(guān)越 常方圓

摘 要：有限元分析是一種現(xiàn)代計(jì)算的方法，其發(fā)展歷程可追溯結(jié)構(gòu)力學(xué)這一學(xué)科，管道受力的分析方面具有廣泛應(yīng)用。FLUENT軟件廣泛應(yīng)用在工業(yè)工程中，在石油領(lǐng)域有較強(qiáng)的市場競爭力，在管道內(nèi)流體流動(dòng)、熱傳遞方面具有廣泛應(yīng)用。介紹有限元軟件和FLUENT軟件的基本原理，總結(jié)其在海底管道中的應(yīng)用，例如海底管道管-土之間相互作用力分析，管-土-波作用力分析，海底石油管道和天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬，滲流對海底管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響，管道要停止輸送時(shí)，研究其熱傳遞。提出未來發(fā)展趨勢。

關(guān) 鍵 詞：有限元軟件；FLUENT軟件；海底管道；數(shù)值模擬

中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1664-03

Application of Finite Element Analysis and FLUENT

Softwares in Submarine Pipeline Research

AN Li-jiao1，MA Gui-yang1，GUAN Yue2，CHANG Fang-yuan1

（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China；

2. China Petroleum Group Southeast Asia Pipeline Co.， Ltd. Mudd Island Management Office，Beijing 100000， China）

Abstract： Finite Element Analysis is a modern calculation method，its development course can trace the discipline of structural mechanics analysis，which is widely used in pipeline stress analysis. The FLUENT software is widely used in industrial engineering，it has strong market competitiveness ，thus its application in research on fluid flow and heat transfer in the pipe is wide. In this article， the basic principles of Finite Element Analysis and FLUENT softwares were introduced， and their application in the submarine pipeline was summarized， such as submarine pipeline of pipe - soil interaction force analysis ，pipe - soil - wave force analysis， the numerical simulation of the submarine oil pipeline and gas pipeline leakage， the influence of seepage on submarine pipelines unsteady heat transfer， and so on .Then their development trend in the future was put forward.

Key words：Finite Element Analysis； FLUENT； submarine pipeline； numerical simulation

1947年開始，美國首先在墨西哥開采海洋中的石油，緊接著其他國家也加入到開采海洋石油的行列當(dāng)中，海洋石油的興起在我國較晚，海底管道作為一種輸送介質(zhì)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)送海底開采出的海洋石油和天然氣。海底管道的穩(wěn)定性和運(yùn)行的安全性是重要的研究課題，海底管道鋪設(shè)在惡劣的海洋環(huán)境當(dāng)中，研究管道與海泥和波浪的相互作用，為海底管道的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，管道泄漏會造成海洋環(huán)境的嚴(yán)重污染，模擬泄漏后原油的擴(kuò)散規(guī)律，查找泄漏點(diǎn)，減少泄漏后的經(jīng)濟(jì)環(huán)境等方面的損失。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 有限元軟件模擬海底管道受力分析的應(yīng)用

1.1.1 管-土模型

郭喜亮[1]利用ANSYS有限元分析軟件，建立海底管道與海床土體相互作用模型。結(jié)論表明對于平鋪管道，沉降量相同時(shí)，在粘土中的抗力比砂土中抗力大很多，對于埋深管，埋深對極限土體抗力的影響隨著管徑的增大變得越發(fā)顯著，本文未考慮波浪往復(fù)載荷。

任艷榮[2]在多孔彈性海床的研究表明，仍舊使用有限元軟件ABAQUS，相同條件下，管道在細(xì)砂質(zhì)的海床上的沉降量比在粗砂質(zhì)的大，更具有穩(wěn)定性。

Schotman[3]和stork[4]坎利用PLAXIS有限元軟件，海床土體模型為粘土，以此研究管土的作用力，結(jié)論證明本文所列舉模型中當(dāng)管道水平移動(dòng)時(shí)，可用來計(jì)算粘土在這個(gè)過程中所受抗力。Villarraga[5]以有限元方法（Finite Element Analysis）的大變形理論為基礎(chǔ)，并考慮海底管道屈曲變形中的非線性邊界條件，分析了溫度和壓力對管道變形的影響作用，進(jìn)一步完善了海底管道屈曲特性的研究。

黃朝煒[6]用有限元計(jì)算軟件ABAQUS程序，模擬了海底管道與土壤的耦合作用，懸跨段管段設(shè)置為重力和海泥的共同作用，對管道的位移和應(yīng)力曲線做出比較準(zhǔn)確預(yù)測。

任艷容[7]把海床土體模型Ramberg一Osgood彈塑性模型，利用有限ABAQUS進(jìn)行管一土相互作用數(shù)值模擬，與前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例如國外科研機(jī)構(gòu)：重力使管道自沉降，而海水的流動(dòng)和波浪載荷會引起管道出現(xiàn)額外沉降。

任艷榮[8]等利用有限元軟件ABAQUS，分析海床上管道的沉降特性，通過對一些參數(shù)的變化，模擬表明海床在這個(gè)過程中存在彈性和非彈性變形，且參數(shù)對管道沉降量都有一定影響。

1.1.2 管-土-波基本模型和一些特殊模型

顧小蕓[9]等解釋了波一管一土動(dòng)力耦合管道失去穩(wěn)定性是由于渦流和滲流的共同作用引起的等等結(jié)果進(jìn)行對比，在設(shè)置模型時(shí)，設(shè)置了接觸面。結(jié)果表明管道的沉降量隨著管徑的增大而加大，模擬考慮了環(huán)境載荷的作用，與實(shí)驗(yàn)的結(jié)論吻合。

劉靖[10]等用二維有限元軟件研究海底管道與多孔彈性海床的相互作用，僅研究了波浪力的影響，考慮粗砂和細(xì)砂，結(jié)果表明，管道所受應(yīng)力在粗砂中大于細(xì)砂，且管道埋深越淺，管道環(huán)形應(yīng)力差值較大。

趙劉群[11]等用有限元軟件并結(jié)合ALE的方法，通過求解N-S方程，來模擬海底管道的渦激振動(dòng)問題，從平面的角度上，反應(yīng)海底流場的主要特性。從而啟發(fā)討論的渦旋脫落而導(dǎo)致激振。

夏令[12]等利用VOF模型來模擬深海中的波浪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬采用的標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，討論了兩種情況，管道是否存在，土體的壁面剪切應(yīng)力的大小情況，從而得出管道對海床存在侵蝕作用。

馬汝建[13]應(yīng)用非線性譜分析法研究了隨機(jī)波浪載荷的自由表面效應(yīng)，結(jié)果表明：波峰及波谷處對應(yīng)的波浪力的大小，可用平均總波浪力通過自由表面效應(yīng)系數(shù)求出，然后通過數(shù)值計(jì)算的方法研究出了波浪高度是如何影響自由表面系數(shù)的。

李玉成[14]等應(yīng)用三步有限元法，并結(jié)合了大渦模擬的方法（LES），離散了N-S方程，模擬了在波浪場中，海底管道的受力和海底管道周圍流場的復(fù)雜情況，模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

劉貞飛[15]對海底管道沖刷及波浪力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，從而得出結(jié)論當(dāng)計(jì)算海床上的管道所受的波浪力，由于是波浪-管道-海床相互作用，不能運(yùn)用莫里森方程。

張樺[16]通過建立海底管道局部沖刷的二維數(shù)值模型，采用SIMPLEC算法，模擬了局部沖刷和管道受力的數(shù)值分析，流速較小的沖刷結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為吻合。

1.2 海底管道泄漏的數(shù)值模擬

海底管道在運(yùn)行過程當(dāng)中，由于一些內(nèi)外條件的變化而導(dǎo)致泄漏的發(fā)生，不論是天然氣管道還是石油管道的泄漏都會對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并且?guī)聿豢晒懒康慕?jīng)濟(jì)損失，

高清軍[17]等利用VOF模型，泄漏模型為孔口泄漏采用壓力和速度耦合PISO方法模擬油氣水三相流，結(jié)論得出了泄漏油品在海水中的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果表明，壓力因素對軌跡影響不大，而水速影響較大。

袁朝慶[18]等用有限元FLUENT軟件模擬了海底懸跨石油管道，耦合了流場和溫度場，泄漏后出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，泄漏油品離開管道向上以滴狀流動(dòng)，出現(xiàn)“滴流”。

劉瑞凱[19]利用FLUENT軟件，用有限容積法模擬了埋地?zé)嵊凸艿赖男孤U(kuò)散，對泄漏的三個(gè)階段分別做出了模擬說明，土壤處理為多孔介質(zhì)，相變?yōu)閎oussinesq 。結(jié)果表明，考慮海水壓強(qiáng)的海底泄漏管道泄漏速度略快于相同條件下的管道的泄漏速度，由于海流速度，泄漏油品運(yùn)動(dòng)軌跡有一定的偏移，在海泥中溫度分布與在凍土區(qū)泄漏時(shí)過程相似。

張彩霞[20]在碩士論文中對樂清灣的溢油擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)用模型GNOME可預(yù)測風(fēng)，海流等因素，結(jié)論，油膜漂移主要是由流引起的，風(fēng)的作用很小，所以流是引起油膜移動(dòng)的主要推動(dòng)力。

景海泳[21]等通過FLUENT軟件海底管道水下氣體擴(kuò)散，結(jié)合VOF模型和DPM模型的耦合，準(zhǔn)確的討論了氣體擴(kuò)散半徑，為避免災(zāi)害提供了一定依據(jù)。

Yapa[22]提出了用三維模型來模擬，模擬了水下溢油的模型中的浮射流模型。

Mark Reed[23]等用POSVEM模型來模擬水下溢油擴(kuò)散的規(guī)律。

王晶[24]等建立了海底管道微孔泄漏模型，通過研究油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來分析溢油擴(kuò)散。

楊毅[25]對海底管道溢油擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測，并討論了在北部灣的應(yīng)用，用實(shí)驗(yàn)研究論證了數(shù)值模擬的正確性，較為準(zhǔn)確的預(yù)測了擴(kuò)散的規(guī)律。

李玉春[26]對海底雙層輸油管道的泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要討論不同壓力下的其他參數(shù)分布情況，較為準(zhǔn)確的預(yù)測了泄漏口壓力對壓力傳遞的影響。

范凱峰[27]等用VOF模型模擬海底天然氣溢油擴(kuò)散，用PISO算法，得出了不同時(shí)刻天然氣在海底的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡。

廖國祥[28]等設(shè)計(jì)開發(fā)了可視化系統(tǒng)SIMPACT—SOS，針對已經(jīng)出現(xiàn)擴(kuò)散的海底溢油情況，將其應(yīng)用在渤海灣海底管道出現(xiàn)溢油擴(kuò)散后的研究。

姜衛(wèi)星[29]對黃浦江的溢油擴(kuò)散將行了數(shù)值模擬，建立了二維水動(dòng)力模型，以油粒子為主要跟蹤點(diǎn)，追蹤油膜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并討論了不同的外界環(huán)境條件，得出了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

1.3 海底管道傳熱數(shù)值模擬

熱油管道廣泛存在于海底管道之中，研究海底環(huán)境參數(shù)對傳熱的影響，對于海底熱油管道輸送具有重要意義，管道運(yùn)行過程中，停輸是不可避免的，通過數(shù)值模擬，安排停輸啟動(dòng)的時(shí)間，最大限度的節(jié)約資源。

邰忠英[30]等研究了滲流這一影響因素，對海底管道的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程產(chǎn)生的作用，控制方程建立在土壤水熱耦合基礎(chǔ)上，模型為埋深管道，結(jié)論為海水滲流在很大程度上影響了管道周圍海泥溫度場。

Boer S.和Hulsbergen C.H.[31]研究了海底輸油管道的傳熱問題，采用N-S方程，對輸油過程進(jìn)行了模擬，建立的模型為一維穩(wěn)態(tài)的傳熱的模型。

趙寧[32]用數(shù)值模擬的方法討論了海底輸油管道傳熱，用FLUENT軟件模擬了停輸啟動(dòng)的熱影響，結(jié)論為必須有停輸需要時(shí)來修復(fù)管道，盡量選擇夏季。

2 研究總結(jié)

目前運(yùn)用軟件對海底管道的模擬的這三個(gè)方面取得了一定的進(jìn)展，由于海底管道的復(fù)雜性，這使得人們無論是通過理論分析、實(shí)驗(yàn)研究還是計(jì)算機(jī)模擬來徹底認(rèn)識海底管道的存在特性都非常困難，相比之下，計(jì)算機(jī)模擬更具有實(shí)用性，我們需要探求更高精度的數(shù)學(xué)計(jì)算方法和更加可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方法，對模型進(jìn)行深入的探討，進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪M運(yùn)算。

有限元分析方法可解決的問題包括一類結(jié)構(gòu)分析問題，一般是來確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移以及每個(gè)單元內(nèi)的應(yīng)力，解決問題的基本方法建立在離散化的思想之上，求解的是無限個(gè)單元內(nèi)的近似解，然后將這些解進(jìn)行整合，輸出結(jié)果。所以得到的結(jié)果只能是近似解，要注意單元內(nèi)精度的劃分，使結(jié)果較為準(zhǔn)確。有限元分析忽略整個(gè)定義域內(nèi)的復(fù)雜邊界條件，因此在工程實(shí)際分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

FLUENT 軟件近年來在油氣儲運(yùn)學(xué)科中有較為廣泛的應(yīng)用， Fluent軟件包括前處理軟件GAMBIT，用來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的精度直接影響FLUENT的模擬是否收斂，要?jiǎng)澐州^為精準(zhǔn)的網(wǎng)格，需要不斷的聯(lián)系和大量的文獻(xiàn)閱讀，并掌握扎實(shí)的理論知識，即使這樣得到的也是一個(gè)近似解，存在一定的誤差。

3 展 望

海底管道受力可以考慮懸空段受到海底波浪往復(fù)載荷和沖刷，分析不同的土體情況，并考慮海底泥沙輸移問題。分析熱油管道溫度場與受力分析的交互作用。并且可以研究三維流場的模擬。

分析不同的泄漏模型，比如大孔泄漏和小孔泄漏，針對天然氣泄漏模擬的模型較少，可進(jìn)一步深入研究，并可考慮多相流。對突變管段，彎管等特殊管段的泄漏要做深入分析，并充分考慮海底管道處在一個(gè)較大壓力條件下這一環(huán)境。

分析不同工況下的海底管道傳熱模擬，比如比如考慮波浪載荷，渦流滲流等不同情況，或可比較埋深管道，平鋪管道，懸跨管道在相同工況下的不同溫度場，為停輸再啟動(dòng)提供數(shù)據(jù)支持。

模擬結(jié)果與試驗(yàn)分析要結(jié)合考慮，綜合分析，理論與實(shí)踐的完美結(jié)合，才能得出更科學(xué)的論證。

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