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典型沟槽表面隔水管减阻性能研究

钱权  
【摘要】:海洋蕴藏了全球70%以上的油气资源,是未来油气开发的主战场,针对我国南海油气资源丰富,海况极其恶劣,强台风和内波世界罕见。可靠的装备和系统安全设计是深海油气安全开采的有力保障,而其中隔水管是油气开采的关键设备,它作为连接钻井平台与海底防喷器的唯一通道,在复杂海况耦合作用下,将承受巨大的绕流阻力,导致隔水管弯曲变形和磨损严重、顶张力增加、服役年限下降,严重威胁深海油气开发。基于此,本文在隔水管表面引入仿生织构,探索仿生织构对减小隔水管绕流阻力的设计方法和可行性,达到提升隔水管系统的安全稳定性目的。主要工作如下:(1)综述了国内外隔水管涡激振动抑制装置、仿生织构减阻的研究进展。开展了隔水管工况调研和仿生织构尺寸确定工作,建立了隔水管力学模型,明确了以仿生织构参数优化的方法来改变隔水管壁面边界层内流体分布规律,达到隔水管减阻的目的。(2)开展了光滑隔水管绕流大涡数值模拟方法的探索研究。利用Fluent软件仿真分析了光滑隔水管在不同工况下绕流阻力、壁面压力系数、压力、速度、分离点、涡泄频率、涡量等流场变量的分布规律。(3)开展了基于6种雷诺数、5种V型沟槽粗糙度(Ks)和3种沟槽数量(n)的仿生织构隔水管绕流减阻仿真分析工作。对比了不同织构参数和无织构参数隔水管绕流阻力、压力、速度、涡量、斯特劳哈尔数(St)和尾流区宽度,分析了 V型沟槽织构减阻原理,筛选出了减阻效果较好的织构参数,为隔水管减阻和隔水管系统力学行为控制提供了一种新的思路和方法。(4)基于减阻效果较好的V型织构参数(Ks =0.007,n=32),采用ANSYS Mechanical APDL模块,对比分析了该V型沟槽隔水管和无织构隔水管在实际工况下绕流阻力、挠度、弯矩和顶张力,结果发现该织构参数隔水管顶张力最大下降5.33%,这有助于降低张紧器能耗,隔水管局部力学性能得到优化。(5)依据雷诺相似准则,设计并搭建了一个近似海洋隔水管工况的、能够开展多个雷诺数下隔水管绕流实验台架,摆脱了隔水管绕流实验对水洞和风洞的依赖。基于搭建的实验台架,开展了基于4种工况、3种沟槽粗糙度和3种沟槽数量的隔水管绕流实验研究,分析了仿生织构隔水管减阻率与沟槽粗糙度和沟槽数量之间的关系,;实验数据表明,合适的V型沟槽织构具有较好的减阻效果,实验结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真分析方法的可靠性和隔水管表面仿生织构减阻的可行性。综上所述,本文通过开展南海工况下仿生织构隔水管绕流减阻仿真和单元实验,找到了织构类型、织构粗糙度和沟槽数量对隔水管减阻性能的影响规律,顶张力得到了较好的控制,本文研究成果对促进仿生表面织构技术在深海油气开发领域的深入研究及最终的应用具有重要意义。


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