悬跨海底管道绕流三维特性的大涡数值模拟研究

简介

自由悬跨是海底管道安全的风险之一，涡激振动（VIV）引起的疲劳是自由悬跨海底管道的主要失效模式之一。悬跨高度是影响海底管道涡激振动频率和载荷大小的一个重要因素。采用大涡数值模拟方法（LES）研究了不同悬跨间隙比（G/D）海底管道绕流的流场特性，分析了悬跨的间隙比对海管绕流场剪切层相互作用、升阻力系数和旋涡脱落等的影响规律。结果表明：与湍流模型的雷诺平均方法（RANS）相比，大涡数值模拟方法能够得到更准确和详细的近壁面圆柱绕流结果。在G/D 小于0.8 以后升阻力系数有明显变化，升力系数的均方根值随着G/D 的减小而减小。当G/D 大于0.8，升力系数的均值和均方根值基本不变，此时悬跨高度对绕流不再有明显影响。因此，可将G/D 等于0.8 作为临界悬跨间隙比，大于临界悬跨高度时的疲劳分析可等同于孤立管道。当G/D 小于0.3 以后，由于旋涡发放被抑制，升力系数的均方根值基本保持在很小的值，因此疲劳失效的风险大幅降低。而在中间过渡阶段的间隙比情况下，可以参考获得的升力系数值做更为精确的疲劳分析。