海底子母管线在规则波作用下的水动力数值分析

"该研究通过三步有限元法建立数值波浪水槽模型，探讨了规则波作用下海底子母管线的水动力特性。作者对比了数值模拟与物模实验的结果，并研究了子母管间相对缝隙(G/D)对水动力特性的影响。分析揭示了不同G/D下的涡脱落特性和水动力系数变化规律。结果表明，该数值模型能有效计算波浪力，且在G/D较小和较大时存在两种不同的涡脱落模式：'反相同步脱落'和'同相同步脱落'。" 海底子母管线在海洋工程中常见，尤其在不等直径的输油、气管道设计中，它们通常以一定间隙捆扎成束，放置于海底。这类结构比单一管道更复杂，其水动力特性对工程安全和效率至关重要。 本研究使用三步有限元法对Navier-Stokes方程进行离散，构建了一个数值波浪水槽模型，以此来模拟规则波对海底子母管线的作用。研究的重点在于比较数值模拟和物理模型实验中管线受到的波浪力，以及探索子母管之间的相对缝隙G/D（0.1, 0.25, 0.5, 0.75）对水动力特性的影响。通过分析，研究人员发现不同G/D下的涡脱落特性有显著差异，同时揭示了管线水动力系数随G/D变化的规律。 实验结果表明，数值模拟和实验数据具有良好的一致性，证明了所建立的数值模型在计算波浪作用于海底子母管线的水动力方面是可靠的。对于不同G/D，研究发现了两种涡脱落模式：当G/D较小（0.1, 0.25）时，呈现出“反相同步脱落”模式；而当G/D较大（0.5, 0.75）时，则呈现“同相同步脱落”模式。这些发现对于理解和预测海底子母管线在波浪环境中的行为，以及优化结构设计提供了理论依据。 过往的研究多集中于稳定流条件下的海底子母管线，例如通过拖车实验和数值模拟研究水动力系数和涡脱落形式。然而，对于波浪作用下的子母管线，大多数研究依赖于物模实验。本研究通过数值方法填补了这一空白，为理解波浪环境下的海底子母管线动力响应提供了新的视角和工具。 关键词：海底子母管线，规则波，三步有限元法，CLEAR-VOF，涡脱落。该研究的成果对于进一步优化海底管道设计，减少潜在的水动力影响，提高管道的安全性和经济性具有重要意义。