有限元软件和FLUENT软件在海底管道研究中的应用

安利姣 马贵阳 关越 常方圆

摘 要：有限元分析是一种现代计算的方法，其发展历程可追溯结构力学这一学科，管道受力的分析方面具有广泛应用。FLUENT软件广泛应用在工业工程中，在石油领域有较强的市场竞争力，在管道内流体流动、热传递方面具有广泛应用。介绍有限元软件和FLUENT软件的基本原理，总结其在海底管道中的应用，例如海底管道管-土之间相互作用力分析，管-土-波作用力分析，海底石油管道和天然气管道泄漏的数值模拟，渗流对海底管道非稳态传热的影响，管道要停止输送时，研究其热传递。提出未来发展趋势。

关 键 词：有限元软件；FLUENT软件；海底管道；数值模拟

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 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年开始，美国首先在墨西哥开采海洋中的石油，紧接着其他国家也加入到开采海洋石油的行列当中，海洋石油的兴起在我国较晚，海底管道作为一种输送介质，主要负责运送海底开采出的海洋石油和天然气。海底管道的稳定性和运行的安全性是重要的研究课题，海底管道铺设在恶劣的海洋环境当中，研究管道与海泥和波浪的相互作用，为海底管道的设计提供数据支持，管道泄漏会造成海洋环境的严重污染，模拟泄漏后原油的扩散规律，查找泄漏点，减少泄漏后的经济环境等方面的损失。

1 应用现状

1.1 有限元软件模拟海底管道受力分析的应用

1.1.1 管-土模型

郭喜亮[1]利用ANSYS有限元分析软件，建立海底管道与海床土体相互作用模型。结论表明对于平铺管道，沉降量相同时，在粘土中的抗力比砂土中抗力大很多，对于埋深管，埋深對极限土体抗力的影响随着管径的增大变得越发显著，本文未考虑波浪往复载荷。

任艳荣[2]在多孔弹性海床的研究表明，仍旧使用有限元软件ABAQUS，相同条件下，管道在细砂质的海床上的沉降量比在粗砂质的大，更具有稳定性。

Schotman[3]和stork[4]坎利用PLAXIS有限元软件，海床土体模型为粘土，以此研究管土的作用力，结论证明本文所列举模型中当管道水平移动时，可用来计算粘土在这个过程中所受抗力。Villarraga[5]以有限元方法（Finite Element Analysis）的大变形理论为基础，并考虑海底管道屈曲变形中的非线性边界条件，分析了温度和压力对管道变形的影响作用，进一步完善了海底管道屈曲特性的研究。

黄朝炜[6]用有限元计算软件ABAQUS程序，模拟了海底管道与土壤的耦合作用，悬跨段管段设置为重力和海泥的共同作用，对管道的位移和应力曲线做出比较准确预测。

任艳容[7]把海床土体模型Ramberg一Osgood弹塑性模型，利用有限ABAQUS进行管一土相互作用数值模拟，与前人的实验数据例如国外科研机构：重力使管道自沉降，而海水的流动和波浪载荷会引起管道出现额外沉降。

任艳荣[8]等利用有限元软件ABAQUS，分析海床上管道的沉降特性，通过对一些参数的变化，模拟表明海床在这个过程中存在弹性和非弹性变形，且参数对管道沉降量都有一定影响。

1.1.2 管-土-波基本模型和一些特殊模型

顾小芸[9]等解释了波一管一土动力耦合管道失去稳定性是由于涡流和渗流的共同作用引起的等等结果进行对比，在设置模型时，设置了接触面。结果表明管道的沉降量随着管径的增大而加大，模拟考虑了环境载荷的作用，与实验的结论吻合。

刘靖[10]等用二维有限元软件研究海底管道与多孔弹性海床的相互作用，仅研究了波浪力的影响，考虑粗砂和细砂，结果表明，管道所受应力在粗砂中大于细砂，且管道埋深越浅，管道环形应力差值较大。

赵刘群[11]等用有限元软件并结合ALE的方法，通过求解N-S方程，来模拟海底管道的涡激振动问题，从平面的角度上，反应海底流场的主要特性。从而启发讨论的涡旋脱落而导致激振。

夏令[12]等利用VOF模型来模拟深海中的波浪运动规律，模拟采用的标准的k-ε模型，讨论了两种情况，管道是否存在，土体的壁面剪切应力的大小情况，从而得出管道对海床存在侵蚀作用。

马汝建[13]应用非线性谱分析法研究了随机波浪载荷的自由表面效应，结果表明：波峰及波谷处对应的波浪力的大小，可用平均总波浪力通过自由表面效应系数求出，然后通过数值计算的方法研究出了波浪高度是如何影响自由表面系数的。

李玉成[14]等应用三步有限元法，并结合了大涡模拟的方法（LES），离散了N-S方程，模拟了在波浪场中，海底管道的受力和海底管道周围流场的复杂情况，模拟的结果与试验结果吻合度较好。

刘贞飞[15]对海底管道冲刷及波浪力进行了试验研究，从而得出结论当计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，不能运用莫里森方程。

张桦[16]通过建立海底管道局部冲刷的二维数值模型，采用SIMPLEC算法，模拟了局部冲刷和管道受力的数值分析，流速较小的冲刷结果与实验结果更为吻合。

1.2 海底管道泄漏的数值模拟

海底管道在运行过程当中，由于一些内外条件的变化而导致泄漏的发生，不论是天然气管道还是石油管道的泄漏都会对海洋环境造成严重污染，并且带来不可估量的经济损失，

高清军[17]等利用VOF模型，泄漏模型为孔口泄漏采用压力和速度耦合PISO方法模拟油气水三相流，结论得出了泄漏油品在海水中的运动轨迹，结果表明，压力因素对轨迹影响不大，而水速影响较大。

袁朝庆[18]等用有限元FLUENT软件模拟了海底悬跨石油管道，耦合了流场和温度场，泄漏后出现绕流现象，泄漏油品离开管道向上以滴状流动，出现“滴流”。

刘瑞凯[19]利用FLUENT软件，用有限容积法模拟了埋地热油管道的泄漏扩散，对泄漏的三个阶段分别做出了模拟说明，土壤处理为多孔介质，相变为boussinesq 。结果表明，考虑海水压强的海底泄漏管道泄漏速度略快于相同条件下的管道的泄漏速度，由于海流速度，泄漏油品运动轨迹有一定的偏移，在海泥中温度分布与在冻土区泄漏时过程相似。

张彩霞[20]在硕士论文中对乐清湾的溢油扩散进行了数值模拟。应用模型GNOME可预测风，海流等因素，结论，油膜漂移主要是由流引起的，风的作用很小，所以流是引起油膜移动的主要推动力。

景海泳[21]等通过FLUENT软件海底管道水下气体扩散，结合VOF模型和DPM模型的耦合，准确的讨论了气体扩散半径，为避免灾害提供了一定依据。

Yapa[22]提出了用三维模型来模拟，模拟了水下溢油的模型中的浮射流模型。

Mark Reed[23]等用POSVEM模型来模拟水下溢油扩散的规律。

王晶[24]等建立了海底管道微孔泄漏模型，通过研究油滴的运动规律来分析溢油扩散。

杨毅[25]对海底管道溢油扩散进行预测，并讨论了在北部湾的应用，用实验研究论证了数值模拟的正确性，较为准确的预测了扩散的规律。

李玉春[26]对海底双层输油管道的泄漏进行了数值模拟，主要讨论不同压力下的其他参数分布情况，较为准确的预测了泄漏口压力对压力传递的影响。

范凯峰[27]等用VOF模型模拟海底天然气溢油扩散，用PISO算法，得出了不同时刻天然气在海底的扩散运动轨迹。

廖国祥[28]等设计开发了可视化系统SIMPACT—SOS，针对已经出现扩散的海底溢油情况，將其应用在渤海湾海底管道出现溢油扩散后的研究。

姜卫星[29]对黄浦江的溢油扩散将行了数值模拟，建立了二维水动力模型，以油粒子为主要跟踪点，追踪油膜的运动规律，并讨论了不同的外界环境条件，得出了较为准确的结果。

1.3 海底管道传热数值模拟

热油管道广泛存在于海底管道之中，研究海底环境参数对传热的影响，对于海底热油管道输送具有重要意义，管道运行过程中，停输是不可避免的，通过数值模拟，安排停输启动的时间，最大限度的节约资源。

邰忠英[30]等研究了渗流这一影响因素，对海底管道的非稳态传热过程产生的作用，控制方程建立在土壤水热耦合基础上，模型为埋深管道，结论为海水渗流在很大程度上影响了管道周围海泥温度场。

Boer S.和Hulsbergen C.H.[31]研究了海底输油管道的传热问题，采用N-S方程，对输油过程进行了模拟，建立的模型为一维稳态的传热的模型。

赵宁[32]用数值模拟的方法讨论了海底输油管道传热，用FLUENT软件模拟了停输启动的热影响，结论为必须有停输需要时来修复管道，尽量选择夏季。

2 研究总结

目前运用软件对海底管道的模拟的这三个方面取得了一定的进展，由于海底管道的复杂性，这使得人们无论是通过理论分析、实验研究还是计算机模拟来彻底认识海底管道的存在特性都非常困难，相比之下，计算机模拟更具有实用性，我们需要探求更高精度的数学计算方法和更加可靠的网络技术方法，对模型进行深入的探讨，进行适当的模拟运算。

有限元分析方法可解决的问题包括一类结构分析问题，一般是来确定每个节点的位移以及每个单元内的应力，解决问题的基本方法建立在离散化的思想之上，求解的是无限个单元内的近似解，然后将这些解进行整合，输出结果。所以得到的结果只能是近似解，要注意单元内精度的划分，使结果较为准确。有限元分析忽略整个定义域内的复杂边界条件，因此在工程实际分析中得到了广泛的应用。

FLUENT 软件近年来在油气储运学科中有较为广泛的应用， Fluent软件包括前处理软件GAMBIT，用来划分网格，网格划分的精度直接影响FLUENT的模拟是否收敛，要划分较为精准的网格，需要不断的联系和大量的文献阅读，并掌握扎实的理论知识，即使这样得到的也是一个近似解，存在一定的误差。

3 展 望

海底管道受力可以考虑悬空段受到海底波浪往复载荷和冲刷，分析不同的土体情况，并考虑海底泥沙输移问题。分析热油管道温度场与受力分析的交互作用。并且可以研究三维流场的模拟。

分析不同的泄漏模型，比如大孔泄漏和小孔泄漏，针对天然气泄漏模拟的模型较少，可进一步深入研究，并可考虑多相流。对突变管段，弯管等特殊管段的泄漏要做深入分析，并充分考虑海底管道处在一个较大压力条件下这一环境。

分析不同工况下的海底管道传热模拟，比如比如考虑波浪载荷，涡流渗流等不同情况，或可比较埋深管道，平铺管道，悬跨管道在相同工况下的不同温度场，为停输再启动提供数据支持。

模拟结果与试验分析要结合考虑，综合分析，理论与实践的完美结合，才能得出更科学的论证。

参考文献：

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