有限元軟件和FLUENT軟件在海底管道研究中的應用

安利姣 馬貴陽 關越 常方圓

摘 要：有限元分析是一種現代計算的方法，其發展歷程可追溯結構力學這一學科，管道受力的分析方面具有廣泛應用。FLUENT軟件廣泛應用在工業工程中，在石油領域有較強的市場競爭力，在管道內流體流動、熱傳遞方面具有廣泛應用。介紹有限元軟件和FLUENT軟件的基本原理，總結其在海底管道中的應用，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值模擬，滲流對海底管道非穩態傳熱的影響，管道要停止輸送時，研究其熱傳遞。提出未來發展趨勢。

關 鍵 詞：有限元軟件；FLUENT軟件；海底管道；數值模擬

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： 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，主要負責運送海底開采出的海洋石油和天然氣。海底管道的穩定性和運行的安全性是重要的研究課題，海底管道鋪設在惡劣的海洋環境當中，研究管道與海泥和波浪的相互作用，為海底管道的設計提供數據支持，管道泄漏會造成海洋環境的嚴重污染，模擬泄漏后原油的擴散規律，查找泄漏點，減少泄漏后的經濟環境等方面的損失。

1 應用現狀

1.1 有限元軟件模擬海底管道受力分析的應用

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。結論表明對于平鋪管道，沉降量相同時，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顯著，本文未考慮波浪往復載荷。

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，管道在細砂質的海床上的沉降量比在粗砂質的大，更具有穩定性。

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，結論證明本文所列舉模型中當管道水平移動時，可用來計算粘土在這個過程中所受抗力。Villarraga[5]以有限元方法（Finite Element Analysis）的大變形理論為基礎，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，懸跨段管段設置為重力和海泥的共同作用，對管道的位移和應力曲線做出比較準確預測。

任艷容[7]把海床土體模型Ramberg一Osgood彈塑性模型，利用有限ABAQUS進行管一土相互作用數值模擬，與前人的實驗數據例如國外科研機構：重力使管道自沉降，而海水的流動和波浪載荷會引起管道出現額外沉降。

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，通過對一些參數的變化，模擬表明海床在這個過程中存在彈性和非彈性變形，且參數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力耦合管道失去穩定性是由于渦流和滲流的共同作用引起的等等結果進行對比，在設置模型時，設置了接觸面。結果表明管道的沉降量隨著管徑的增大而加大，模擬考慮了環境載荷的作用，與實驗的結論吻合。

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，考慮粗砂和細砂，結果表明，管道所受應力在粗砂中大于細砂，且管道埋深越淺，管道環形應力差值較大。

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

夏令[12]等利用VOF模型來模擬深海中的波浪運動規律，模擬采用的標準的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]應用非線性譜分析法研究了隨機波浪載荷的自由表面效應，結果表明：波峰及波谷處對應的波浪力的大小，可用平均總波浪力通過自由表面效應系數求出，然后通過數值計算的方法研究出了波浪高度是如何影響自由表面系數的。

李玉成[14]等應用三步有限元法，并結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雜情況，模擬的結果與試驗結果吻合度較好。

劉貞飛[15]對海底管道沖刷及波浪力進行了試驗研究，從而得出結論當計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值模型，采用SIMPLEC算法，模擬了局部沖刷和管道受力的數值分析，流速較小的沖刷結果與實驗結果更為吻合。

1.2 海底管道泄漏的數值模擬

海底管道在運行過程當中，由于一些內外條件的變化而導致泄漏的發生，不論是天然氣管道還是石油管道的泄漏都會對海洋環境造成嚴重污染，并且帶來不可估量的經濟損失，

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，結論得出了泄漏油品在海水中的運動軌跡，結果表明，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，泄漏后出現繞流現象，泄漏油品離開管道向上以滴狀流動，出現“滴流”。

劉瑞凱[19]利用FLUENT軟件，用有限容積法模擬了埋地熱油管道的泄漏擴散，對泄漏的三個階段分別做出了模擬說明，土壤處理為多孔介質，相變為boussinesq 。結果表明，考慮海水壓強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，泄漏油品運動軌跡有一定的偏移，在海泥中溫度分布與在凍土區泄漏時過程相似。

張彩霞[20]在碩士論文中對樂清灣的溢油擴散進行了數值模擬。應用模型GNOME可預測風，海流等因素，結論，油膜漂移主要是由流引起的，風的作用很小，所以流是引起油膜移動的主要推動力。

景海泳[21]等通過FLUENT軟件海底管道水下氣體擴散，結合VOF模型和DPM模型的耦合，準確的討論了氣體擴散半徑，為避免災害提供了一定依據。

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散的規律。

王晶[24]等建立了海底管道微孔泄漏模型，通過研究油滴的運動規律來分析溢油擴散。

楊毅[25]對海底管道溢油擴散進行預測，并討論了在北部灣的應用，用實驗研究論證了數值模擬的正確性，較為準確的預測了擴散的規律。

李玉春[26]對海底雙層輸油管道的泄漏進行了數值模擬，主要討論不同壓力下的其他參數分布情況，較為準確的預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散，用PISO算法，得出了不同時刻天然氣在海底的擴散運動軌跡。

廖國祥[28]等設計開發了可視化系統SIMPACT—SOS，針對已經出現擴散的海底溢油情況，將其應用在渤海灣海底管道出現溢油擴散后的研究。

姜衛星[29]對黃浦江的溢油擴散將行了數值模擬，建立了二維水動力模型，以油粒子為主要跟蹤點，追蹤油膜的運動規律，并討論了不同的外界環境條件，得出了較為準確的結果。

1.3 海底管道傳熱數值模擬

熱油管道廣泛存在于海底管道之中，研究海底環境參數對傳熱的影響，對于海底熱油管道輸送具有重要意義，管道運行過程中，停輸是不可避免的，通過數值模擬，安排停輸啟動的時間，最大限度的節約資源。

邰忠英[30]等研究了滲流這一影響因素，對海底管道的非穩態傳熱過程產生的作用，控制方程建立在土壤水熱耦合基礎上，模型為埋深管道，結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，對輸油過程進行了模擬，建立的模型為一維穩態的傳熱的模型。

趙寧[32]用數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的熱影響，結論為必須有停輸需要時來修復管道，盡量選擇夏季。

2 研究總結

目前運用軟件對海底管道的模擬的這三個方面取得了一定的進展，由于海底管道的復雜性，這使得人們無論是通過理論分析、實驗研究還是計算機模擬來徹底認識海底管道的存在特性都非常困難，相比之下，計算機模擬更具有實用性，我們需要探求更高精度的數學計算方法和更加可靠的網絡技術方法，對模型進行深入的探討，進行適當的模擬運算。

有限元分析方法可解決的問題包括一類結構分析問題，一般是來確定每個節點的位移以及每個單元內的應力，解決問題的基本方法建立在離散化的思想之上，求解的是無限個單元內的近似解，然后將這些解進行整合，輸出結果。所以得到的結果只能是近似解，要注意單元內精度的劃分，使結果較為準確。有限元分析忽略整個定義域內的復雜邊界條件，因此在工程實際分析中得到了廣泛的應用。

FLUENT 軟件近年來在油氣儲運學科中有較為廣泛的應用， Fluent軟件包括前處理軟件GAMBIT，用來劃分網格，網格劃分的精度直接影響FLUENT的模擬是否收斂，要劃分較為精準的網格，需要不斷的聯系和大量的文獻閱讀，并掌握扎實的理論知識，即使這樣得到的也是一個近似解，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較大壓力條件下這一環境。

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，為停輸再啟動提供數據支持。

模擬結果與試驗分析要結合考慮，綜合分析，理論與實踐的完美結合，才能得出更科學的論證。

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