CN113947043A - 基于cfd模拟的海底管道的振动频率监测方法和系统 - Google Patents

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CN113947043A
CN113947043A CN202111198351.4A CN202111198351A CN113947043A CN 113947043 A CN113947043 A CN 113947043A CN 202111198351 A CN202111198351 A CN 202111198351A CN 113947043 A CN113947043 A CN 113947043A
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任鑫
傅望安
兰连军
吴昊
朱俊杰
吕亮
武青
李遥宇
房扩
苏人奇
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Abstract

本申请提出了一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法和系统，该方法包括：在CFD模拟软件中建立模拟任务；设置模拟任务所需的物理模型和物理模型的物理参数；建立海底管道的二维冲刷模型，对二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置计算域的初始条件和边界条件；在海底管道的模型上设置监测点，采集监测点所受的流体力，以获取海底管道的流体力时程变化曲线，并对曲线进行快速傅里叶变换；确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长；运行模拟计算，以文本和图像的方式输出管道的振动频率变化曲线和管道周围的流场信息。该方法可以同时计算出管道周围的流场分布及管道的振动频率，有效避免管道产生涡激共振，提高了海底管道的安全性。

Description

基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法和系统
技术领域
本申请涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法和系统。
背景技术
目前，人们对海上油气资源的重视程度越来越高，海底管道在运输油气资源中扮演的地位也越来越重要。其中，海底管道最初铺设时往往会进行挖沟掩埋处理，但由于海底环境十分复杂，在波流的长期冲刷之下，管道可能会裸露出海底。而一旦管道发生裸露，管道周围的冲刷进程将会加速，管道下方泥沙被不断输运走而导致管道悬空。当管道悬空段达到一定长度，在一定条件下，管道后方会产生交替脱落的漩涡，致使管道发生涡激振动，涡激振动作用在管道会造成管道疲劳损伤，影响了管道的安全性。因此，需要对海底管道的振动进行监测，以及时采取预防措施。
相关技术中，通常采用有限元软件计算管道的振动频率。但申请人发现，上述有限元软件计算管道的振动频率方法，无法获取管道周围的流场信息，难以针对全流场域进行振动频率分析，因此无法准确和及时的避免管道发生涡激共振破坏。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法，该方法通过CFD数值模拟方法对海底管道的振动频率进行动态监测，可以同时计算出海底管道周围的流场分布及管道的振动频率，准确的确定管道后方漩涡的脱落情况，解决了海底管线的冲刷时涉及到管道、水流和泥沙三者的多相流固耦合问题，可以准确的模拟出泥沙冲刷管道的场景，通过本申请的CFD数值模拟方法可以全面和准确的获取管道周围的场景信息和振动频率信息，从而有利于及时、有效的避免管道产生涡激共振，提高了海底管道的安全性。
本申请的第二个目的在于提出一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统；
本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的，本申请的第一方面实施例在于提出一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法，该方法包括以下步骤：
在预设的计算流体动力学CFD模拟软件中建立模拟任务，并设置所述模拟任务中的总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制；
设置所述模拟任务所需的物理模型和所述物理模型的物理参数，并导入流体的类别和属性；
建立海底管道的二维冲刷模型，对所述二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置所述计算域的初始条件和边界条件；
在所述海底管道的模型上设置监测点，采集所述监测点所受的流体力，以获取所述海底管道的流体力时程变化曲线，并对所述流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT，所述流体力包括拖曳力和升力；
设置所述模拟任务的输出时间间隔和输出数据的类型，并确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长；
运行模拟计算，并以文本和图像的方式输出所述管道的振动频率变化曲线和所述管道周围的流场信息。
可选地，在本申请的一个实施例中，物理模型包括：湍流模型、临界Shields模型、局部Shields模型、泥沙的卷吸升力模型、沉积模型、推移质输移模型和悬浮泥沙浓度模型。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过以下公式表示所述湍流模型:
Figure BDA0003304037200000021
其中，μ1是湍流粘度，k是湍动能，ε是湍动能耗散率，Cμ是预设的常数；
通过以下公式表示所述湍动能k的输运方程：
Figure BDA0003304037200000022
通过以下公式表示所述耗散率ε的输运方程：
Figure BDA0003304037200000023
其中，c1，c2，σk，σε是预设的不同的经验系数。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过以下公式表示所述临界Shields模型:
Figure BDA0003304037200000024
其中，
Figure BDA0003304037200000031
其中，β是河床坡度角，
Figure BDA0003304037200000032
是预设的的泥沙休止角，ψ是水流和上坡方向之间的角度，d*,i是描述泥沙粒径的无量纲的参数。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过以下公式表示所述泥沙的卷吸升力模型:
Figure BDA0003304037200000033
其中，αi是挟沙参数，ns是指向压缩床界面的向外指向法线，ρi是泥沙密度，ρf是流体密度，di是泥沙粒径，d*描述泥沙粒径的无量纲化参数，θi是局部希尔兹数。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过以下公式计算所述推移质输移模型的推移质输沙率:
Figure BDA0003304037200000034
其中，qb,i是推移质输沙率，Φi是无量纲推移质输沙率。
为达上述目的，本申请的第二方面实施例还提出了一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统，包括以下模块:
第一设置模块，用于在预设的计算流体动力学CFD模拟软件中建立模拟任务，并设置所述模拟任务中的总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制；
第二设置模块，用于设置所述模拟任务所需的物理模型和所述物理模型的物理参数，并导入流体的类别和属性；
建立模块，用于建立海底管道的二维冲刷模型，对所述二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置所述计算域的初始条件和边界条件；
监测模块，用于在所述海底管道的模型上设置监测点，采集所述监测点所受的流体力，以获取所述海底管道的流体力时程变化曲线，并对所述流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT，所述流体力包括拖曳力和升力；
第三设置模块，设置所述模拟任务的输出时间间隔和输出数据的类型，并确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长；
计算模块，用于运行模拟计算，并以文本和图像的方式输出所述管道的振动频率变化曲线和所述管道周围的流场信息。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块具体用于：设置湍流模型、临界Shields模型、局部Shields模型、泥沙的卷吸升力模型、沉积模型、推移质输移模型和悬浮泥沙浓度模型。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块具体用于通过以下公式表示所述湍流模型:
Figure BDA0003304037200000041
其中，μ1是湍流粘度，k是湍动能，ε是湍动能耗散率，Cμ是预设的常数；
通过以下公式表示所述湍动能k的输运方程：
Figure BDA0003304037200000042
通过以下公式表示所述耗散率ε的输运方程：
Figure BDA0003304037200000043
其中，c1，c2，σk，σε是预设的不同的经验系数。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：本申请通过CFD数值模拟方法对海底管道的振动频率进行动态监测，一方面通过获取管道的拖曳力时程变化曲线和升力时程变化曲线，再对时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT得到管线振动的频率分布曲线，另一方面又可以得到管道周围的流场变化情况，准确的确定管道后方漩涡的脱落情况，因此可同时计算出海底管道周围的流场分布及管道的振动频率，解决了海底管线的冲刷时涉及到管道、水流和泥沙三者的多相流固耦合问题，可以准确的模拟出泥沙冲刷管道的场景，通过本申请的CFD数值模拟方法可以全面和准确的获取管道周围的场景信息和振动频率信息，从而有利于及时、有效的避免管道产生涡激共振，提高了海底管道的安全性。
为了实现上述实施例，本申请第三方面实施例还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提出的一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法的流程图；
图2为本申请实施例提出的一种海底管道的二维冲刷模型示意图；
图3为本申请实施例提出的一种拖曳力时程变化曲线的示意图；
图4为本申请实施例提出的一种升力时程变化曲线的示意图；
图5为本申请实施例提出的一种海底管道周围的流速场示意图
图6为本申请实施例提出的一种海底管道周围的流速等值线示意图；
图7为本申请实施例提出的一种不同时刻下的沙床冲刷剖面变化示意图；
图8为本申请实施例提出的一种海底管道涡激振动的频率分布示意图；
图9为本申请实施例提出的一种具体的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法的流程示意图；
图10为本申请实施例提出的一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，由于海底管线的冲刷问题涉及到管道、水流、泥沙三者的共同作用，计算较为复杂，而相关技术中采用的有限元软件，仅能计算管道结构的振动频率，较难实现泥沙冲刷等场景，因此，难以针对全流场域进行振动频率分析。为此，本申请提出一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法，该方法解决了管道、泥沙、流体的多相流固耦合问题，可以同时计算出海底管道周围的流场分布及管道的振动频率，为避免管道发生涡激共振破坏提供了更准确的理论支撑，有利于避免管道产生涡激共振。
下面参考附图详细描述本发明实施例所提出的一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法、系统。
图1为本申请实施例提出的一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤101，在预设的计算流体动力学CFD模拟软件中建立模拟任务，并设置模拟任务中的总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制。
其中，预设的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)模拟软件可以包括FLOW3D软件、OpenFOAM软件和REEF3D软件等各种CFD软件，具体可根据实际需要进行选择，作为一种示例，本申请采用FlOW3D软件作为预设的模拟软件执行模拟任务。在本申请实施例中，通过CFD方法计算管道的振动频率，相比于有限元软件在后续还可以计算出管道周围的流场信息。
其中，建立的模拟任务是指模拟管道在流体和泥沙冲刷场景下的振动频率变化情况和管道周围的流场变化情况的任务。本申请实施例中的流场可以包括管道周围的流体和泥沙等在时间和空间点坐标场上的流速场、压强场等。
在本申请实施例中，先在FlOW3D软件新建一个模拟任务，然后在建立的模拟任务中设置总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制等参数。其中，设置的流体的压缩性是设置管道周围流体质点在一定压力差或温度差的条件下，其体积或密度可以改变的性质，流体数量可以是单位时间内通过管道截面的流量等反映冲击管道的流体的量级的参数，单位制可以是在该任务中进行计算和输出的数据的单位。
步骤102，设置模拟任务所需的物理模型和物理模型的物理参数，并导入流体的类别和属性。
其中，模拟任务所需的物理模型是指模拟管道周围的流场变化情况和泥沙冲刷状况时，计算流场和泥沙冲刷在不同时刻下的空间分布等数据信息的模型，在本申请一个实施例中，物理模型可以包括但不限于湍流模型、临界Shields模型、局部Shields模型、泥沙的卷吸升力模型、沉积模型、推移质输移模型和悬浮泥沙浓度模型。物理参数可以是上述物理模型进行运算时所要用到的预设自定义参数和进行计算的数据。
在本申请一个实施例中，设置模拟任务所需的物理模型和物理模型的物理参数时，作为一种可能的实现方式，第一步，确定计算中采用的质量守恒方程，通过以下公式表示质量守恒方程：
Figure BDA0003304037200000061
其中，u,v,ω是三个坐标方向的速度分量。
第二步，确定计算中采用的动量守恒方程，通过以下公式表示动量守恒方程：
Figure BDA0003304037200000062
Figure BDA0003304037200000063
Figure BDA0003304037200000064
其中，Su,Sν,Sω是3个广义源项，本申请实施例中的实验条件下，Su＝Sν＝Sω＝0，进而将动量方程可以简化为：
Figure BDA0003304037200000071
Figure BDA0003304037200000072
Figure BDA0003304037200000073
其中，ν为流体的运动粘度。
第三步，设置湍流模型，通过以下公式表示湍流模型:
Figure BDA0003304037200000074
其中，μ1是湍流粘度，k是湍动能，ε是湍动能耗散率，Cμ是预设的常数，ρ是流体的密度。然后通过以下公式表示湍动能k的输运方程：
Figure BDA0003304037200000075
并通过以下公式表示耗散率ε的输运方程：
Figure BDA0003304037200000076
其中，c1，c2，σk，σε是预设的不同的经验系数。
第四步，设置临界Shields模型，其中，Shields数是流体动力学中的无量纲数，可以根据水流作用在床面上的剪切应力与床沙水下重力的比值推导而获得，在本申请实施例中临界Shields数采用Soulsby-Whitehouse方程进行计算，其表达式为：
Figure BDA0003304037200000077
而由于在本申请实施例中沙床可能包括倾斜面，对于倾斜表面，可以修改临界Shields数和泥沙休止角。在倾斜的界面上，推移质不太稳定，因此更容易被向下移动的流体夹带。因此，在本申请实施例中进一步可通过以下公式表示临界Shields模型:
Figure BDA0003304037200000078
其中，β是河床坡度角，
Figure BDA0003304037200000079
是预设的的泥沙休止角，ψ是水流和上坡方向之间的角度，d*,i是描述第i种泥沙粒径的无量纲的参数，i是指泥沙的种类。
第五步，根据局部河床剪应力τ设置局部Shields参数模型，可以通过以下公式表示设置的局部Shields模型：
Figure BDA0003304037200000081
其中，τ分别使用三维湍流和浅水湍流的壁面定律和底部剪应力二次定律计算，并结合床面粗糙度进行计算。具体的，假设床面粗糙度ks与推移质泥沙中的局部中值粒径d50成正比，则可通过以下公式计算床面粗糙度ks：
ks＝Croughd50
其中，Crough是用户自定义系数。
第六步，设置泥沙的卷吸升力模型，通过以下公式表示设置泥沙的卷吸升力模型:
Figure BDA0003304037200000082
其中，αi是挟沙参数，ns是指向压缩床界面的向外指向法线，ρi是泥沙密度，ρf是流体密度，di是泥沙粒径，d*描述泥沙粒径的无量纲化参数，θi是局部希尔兹数。在本申请的一个实施例中，设置该模型的挟沙参数的值为0.018，在本实施例中，ulift,i是泥沙的卷吸升力系数，用于计算已转化为悬浮的填料泥沙量，有效地充当填料床界面悬浮泥沙的质量来源。然后，模拟泥沙随流体流动而输运。
第七步，设置沉积模型，其中，沉积是指泥沙颗粒由于重量而从悬浮物中沉降到沙床上或在推移质运输中静止的过程，颗粒的沉降和夹带是相反的过程，经常同时发生。在本申请实施例中通过以下公式表示沉积模型的沉降速度方程：
Figure BDA0003304037200000083
其中，vf是流体的运动粘度。
第八步，设置推移质输移模型，其中，推移质输移是由于泥沙在沙床表面滚动而产生的泥沙输移方式。在本申请实施例中可以根据从河床的泥沙体积输运率，从以下三个方程式中选择一个用于表示推移质输移模型：
Φi＝βMPM,i(θi-θ′cr,i)1.5cb,i
Figure BDA0003304037200000084
Figure BDA0003304037200000091
其中，cb,i是河床面材料的体积分数，Φi是无量纲推移质输沙率，Φi与推移质输沙率qb,i有关，在本申请实施例中，通过以下公式计算推移质输移模型的推移质输沙率:
Figure BDA0003304037200000092
其中，qb,i是推移质输沙率，Φi是无量纲推移质输沙率。
在该推移质输移模型中，另一个需要设置的物理参数是推移质厚度的估计，即跃移泥沙的厚度。在本申请实施例中通过以下公式估算跃移泥沙的厚度：
Figure BDA0003304037200000093
其中，fb为泥沙临界体积分数，δi是推移质厚度，ubedload,i是表示推移质泥沙厚度的无量纲参数，在本实施例中，假定推移质流速与沙床界面附近的流体流速方向相同。
第九步，设置悬浮泥沙浓度模型，其中，悬浮泥沙浓度是通过求解其自身的输运方程来计算，在本申请实施例中，通过以下公式表示悬浮泥沙浓度模型：
Figure BDA0003304037200000094
其中，Cs,i是泥沙i的悬浮泥沙质量浓度，D是扩散系数，us,i为悬浮泥沙流速，
Figure BDA0003304037200000095
是哈密顿算子。
在本实施例中，由于具有不同质量密度和尺寸的颗粒具有不同的惯性，并受到不同的阻力，因此通过该模型模拟悬浮液中的每种泥沙都以不同于流体和其他物质的速度运动。相应地，悬浮泥沙体积浓度cs,i被定义为每体积水沙混合物中悬浮泥沙种类i的体积，在本申请实施例中可以通过以下公式计算：
Figure BDA0003304037200000096
由此，设置完成模拟任务所需的物理模型和所述物理模型的物理参数，通过本申请实施例中设置的上述物理模型，不但可以模拟管道周围的流场变化情况，还可以模拟出不同时刻沙床冲刷剖面等管道的泥沙冲刷信息。
进一步的，在模拟任务中导入冲刷管道的流体的类别和属性。其中，流体的类别在本申请实施例中为冲刷海底管道的液态水，流体的属性可以包括流体的密度和黏度等信息。
步骤103，建立海底管道的二维冲刷模型，对二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置计算域的初始条件和边界条件。
其中，海底管道的二维冲刷模型是模拟海底管道在真实的流体和泥沙冲刷场景下的模型，作为一种示例，如图2所示，该海底管道的二维冲刷模型可以包括管道10、沙床20和流体(图中未示出)等组件，其中，管道组件设置在沙床组件正中间上方，并对每个组件设定属性。在模拟任务中设置完成参数后，根据海底管道的二维冲刷模型可以模拟出不同时刻管道周围的流程变化情况和沙床冲刷变化情况，更准确的确定管道后方漩涡的脱落情况，管道后方的漩涡指的是流体冲刷管道后，比如，按图2中从按右至左的方向垂直于管道冲刷管道后，在管道的另一侧(在本示例中为管道左侧)形成的漩涡。
其中，二维冲刷模型的计算域是与模型的实际物理域相对应的，用于分析和计算管道周围的流场信息和管道振动的频率分布的区域，计算域包括了模拟任务中相关的所有物体和条件，计算域的尺寸可以是该二维冲刷模型的物理域的尺寸对应的整数倍。
在本申请实施例中还对计算域进行网格划分，以便于计算不同空间分布位置处的流场信息，比如，计算距离管道不同距离处的流速信息等。
进一步的，设置计算域的初始条件和边界条件。其中，边界条件是流体运动边界上方程组的解应该满足的条件，初始条件和边界条件是后续求解方程获取数值解的定解条件。在本申请一个实施例中，对于边界条件，可以设置恒定的入口流速，出口边界设置为流出量outflow，模型Y方向的边界均设置为对称边界。
步骤104，在海底管道的模型上设置监测点，采集监测点所受的流体力，以获取海底管道的流体力时程变化曲线，并对流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT，流体力包括拖曳力和升力。
具体的，在管道上设置一个监测点，采集该点所受的流体力，包括拖曳力和升力，并统计不同时刻下采集到的拖曳力和升力，进而获得管道的拖曳力时程变化曲线和升力时程变化曲线。作为一种示例，图3和图4分别示出了对任一设置的监测点进行采集后获取的拖曳力时程变化曲线和升力时程变化曲线，可以理解拖曳力是流体冲刷管道时，沿水平方向即二维模型中X轴方向的流体作用力(X Fluid Force)，升力是沿垂直方向即二维模型中Z轴方向的流体作用力(Z Fluid Force)，图3和图4中横坐标为时间(Time)。
进一步的，对拖曳力时程变化曲线和升力时程变化曲线进行快速傅里叶变换(FFT)得到管道振动的频率分布曲线。
步骤105，设置模拟任务的输出时间间隔和输出数据的类型，并确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长。
其中，输出时间间隔是模拟任务进行计算后输出数据时的间隔，求解数值的计算方法是通过上述CFD数值模拟方法进行建模和确定控制方程后，求解上述控制方程组，获得离散的时间或空间点上的数值解的方法。
在本申请实施例中，对于不同模型中的控制方程，可以设置对应的求解方法求解数值，比如，对于上述沉积模型，设置相应的求解方法求解沉降速度方程，将控制方程中的微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后求解这些离散的代数方程组，获得离散的空间点上沉降速度的数值解，从而可以得出沙床上方不同位置处的泥沙颗粒的沉降速度。又比如，对于推移质输移模型，设置另一种求解方法求解推移质输沙率方程，从而可以得出沙床界面附近不同位置处推移质输沙率。进一步的，设置求解数值的计算方法中进行计算时所需的初始时间步长和最小时间步长。
步骤106，运行模拟计算，并以文本和图像的方式输出管道的振动频率变化曲线和管道周围的流场信息。
具体的，控制模拟任务通过确定的计算方法开始运行计算，在本申请实施例中，在任务计算过程中还可以展示计算过程，可以在交互界面的观察窗口展示计算过程信息，便于用户了解任务的进度和各步骤具体的计算过程。
需要说明的是，按照上述步骤中的设置方式在模拟任务中设置完成上述物理模型和参数，以及海底管道的二维冲刷模型等设置后，模拟任务运行后，CFD模拟软件可根据自身的运算逻辑求解出二维冲刷模型中各组件对应的参数在不同时刻下的变化状况，进而根据求解出得各种数值模拟出海底管道周围的流场分布，比如，根据上述设置的湍流模型计算出流体组件中每个流体的湍流粘度变化情况和平均湍动能等数据，再根据计算出的不同时刻下的数据得到管道周围不同时刻下的不同位置的流速，进而模拟出管道周围的流速场。并且，根据流体力时程变化曲线计算出管道的振动频率，即在本申请的一些实施例中可以在运行模拟计算后，根据采集到的监测点所受的流体力数据，生成海底管道的流体力时程变化曲线，再对流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT得到管线振动的频率分布曲线。
进一步的，通过CFD模拟软件对应的展示方式展示计算结果，比如，当采用上述FlOW3D软件为模拟软件时，通过FlOW3D软件及其自带的FlowSight软件输出计算结果，以文本和图像的方式展示各个结果。下面以几个具体的示例进行说明：
作为第一种示例，根据求解出的管道周围不同空间位置处的湍流粘度和Shields数等数值，确定管道周围的流场变化情况和管道周围不同位置处的流速，将大小相同的数值连接起来，从而得到如图5所示的海底管道周围的流速场示意图，和如图6所示的海底管道周围的流速等值线图，其中，图5中的横坐标轴表示沙床水平方向上的位置信息，单位是m，纵坐标表示水深信息，在本示例中以河底为纵坐标轴的0轴，图5中的线条表示管道周围流体的流速信息，图6中各条曲线是不同大小的流速线，进而将生成的上述图像进行展示。
作为第二种示例，根据求解出的沙床界面附近不同位置的泥沙的卷吸升力系数、沉降速度和推移质输沙率等数值，确定沙床不同位置处在不同时间下的泥沙冲刷信息，进而得到如图7所示的不同时刻下的沙床冲刷剖面变化示意图，在展示图像中以不同的曲线表示在开始模拟后的10分钟、30分钟和200分钟时的沙床冲刷剖面。
作为第三种示例，对拖曳力时程变化曲线和升力时程变化曲线进行快速傅里叶变换(FFT)后，得到管道振动的频率分布曲线，并以文本和图像的方式展示如图8所示的海底管道涡激振动的频率分布图，图8中横坐标为振动的频率，纵坐标为振幅。
由此，本申请实施例的振动频率监测方法，可以输出海底管道的振动的频率分布曲线和海底管道周围的流场示意图，准确的确定管道后方漩涡的脱落情况，为避免管道发生涡激共振破坏提供了更准确的理论支撑，有利于避免管道产生涡激共振。
综上所述，本申请实施例的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法，通过CFD数值模拟方法对海底管道的振动频率进行动态监测，一方面通过获取管道的拖曳力时程变化曲线和升力时程变化曲线，再对时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT得到管线振动的频率分布曲线，另一方面又可以得到管道周围的流场变化情况，准确的确定管道后方漩涡的脱落情况，因此可同时计算出海底管道周围的流场分布及管道的振动频率，解决了海底管线的冲刷时涉及到管道、水流和泥沙三者的多相流固耦合问题，可以准确的模拟出泥沙冲刷管道的场景，通过本申请的CFD数值模拟方法可以全面和准确的获取管道周围的场景信息和振动频率信息，从而有利于及时、有效的避免管道产生涡激共振，提高了海底管道的安全性。
为了更加清楚地说明本申请实施例的分布式光伏发电设备的能效诊断方法，下面以一个具体的分布式光伏发电设备的能效诊断的实施例进行详细说明。图9为本申请实施例提出的一种具体的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法的流程示意图。
如图9所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：利用FlOW3D软件新建一个模拟任务；
步骤S2：设置总计算时长，流体可压缩性，流体数量和单位制；
步骤S3：激活本次模拟中所要用到的物理模型并设置好物理参数；
步骤S4：导入流场流体类别及属性；
步骤S5：建立海底管道冲刷的二维数值模型，对计算域进行网格划分并设置好初始条件和边界条件；
步骤S6：在管道上设置一个监测点，用于采集该点所受的流体力，包括拖曳力和升力；
步骤S7：设置输出时间间隔和输出数据的类型；
步骤S8：设置初始时间步长和最小时间步长，选择数值计算方法；
步骤S9：开始运行计算，并观察窗口的计算过程消息展示；
步骤S10：利用FlOW3D软件及其自带的FlowSight软件输出计算结果，并以文本和图像的方式展示。
为了实现上述实施例，本申请还提出了一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统，图10为本申请实施例提出的一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统的结构示意图，如图10所示，该监测系统包括第一设置模块100、第二设置模块200、建立模块300、监测模块400、第三设置模块500和计算模块600。
其中，第一设置模块100，用于在预设的计算流体动力学CFD模拟软件中建立模拟任务，并设置模拟任务中的总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制。
第二设置模块200，用于设置模拟任务所需的物理模型和物理模型的物理参数，并导入流体的类别和属性。
建立模块300，用于建立海底管道的二维冲刷模型，对二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置计算域的初始条件和边界条件。
监测模块400，用于在海底管道的模型上设置监测点，采集监测点所受的流体力，以获取海底管道的流体力时程变化曲线，并对流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT，流体力包括拖曳力和升力。
第三设置模块500，用于设置模拟任务的输出时间间隔和输出数据的类型，并确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长。
计算模块600，用于运行模拟计算，并以文本和图像的方式输出所述管道的振动频率变化曲线和所述管道周围的流场信息。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块200具体用于：设置湍流模型、临界Shields模型、局部Shields模型、泥沙的卷吸升力模型、沉积模型、推移质输移模型和悬浮泥沙浓度模型。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块200还用于通过以下公式表示湍流模型:
Figure BDA0003304037200000131
其中，μ1是湍流粘度，k是湍动能，ε是湍动能耗散率，Cμ是预设的常数；
通过以下公式表示湍动能k的输运方程：
Figure BDA0003304037200000141
通过以下公式表示耗散率ε的输运方程：
Figure BDA0003304037200000142
其中，c1，c2，σk，σε是预设的不同的经验系数。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块200还用于通过以下公式表示临界Shields模型:
Figure BDA0003304037200000143
其中，
Figure BDA0003304037200000144
其中，β是河床坡度角，
Figure BDA0003304037200000145
是预设的的泥沙休止角，ψ是水流和上坡方向之间的角度。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块200还用于通过以下公式表示泥沙的卷吸升力模型:
Figure BDA0003304037200000146
其中，αi是挟沙参数，ns是指向压缩床界面的向外指向法线。
可选地，在本申请的一个实施例中，第二设置模块200还用于通过以下公式计算推移质输移模型的推移质输沙率:
Figure BDA0003304037200000147
其中，qb,i是推移质输沙率，Φi是无量纲推移质输沙率。
需要说明的是，前述对基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法的实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述
综上所述，本申请实施例的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统，可同时计算出海底管道周围的流场分布及管道的振动频率，解决了海底管线的冲刷时涉及到管道、水流和泥沙三者的多相流固耦合问题，可以准确的模拟出泥沙冲刷管道的场景，通过本申请的CFD数值模拟方法可以全面和准确的获取管道周围的场景信息和振动频率信息，从而有利于及时、有效的避免管道产生涡激共振，提高了海底管道的安全性。
为了实现上述实施例，本申请还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例中任一所述的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在预设的计算流体动力学CFD模拟软件中建立模拟任务，并设置所述模拟任务中的总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制；
设置所述模拟任务所需的物理模型和所述物理模型的物理参数，并导入流体的类别和属性；
建立海底管道的二维冲刷模型，对所述二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置所述计算域的初始条件和边界条件；
在所述海底管道的模型上设置监测点，采集所述监测点所受的流体力，以获取所述海底管道的流体力时程变化曲线，并对所述流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT，所述流体力包括拖曳力和升力；
设置所述模拟任务的输出时间间隔和输出数据的类型，并确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长；
运行模拟计算，并以文本和图像的方式输出所述管道的振动频率变化曲线和所述管道周围的流场信息。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述物理模型包括：湍流模型、临界Shields模型、局部Shields模型、泥沙的卷吸升力模型、沉积模型、推移质输移模型和悬浮泥沙浓度模型。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，通过以下公式表示所述湍流模型:
Figure FDA0003304037190000011
其中，μ1是湍流粘度，k是湍动能，ε是湍动能耗散率，Cμ是预设的常数；
通过以下公式表示所述湍动能k的输运方程：
Figure FDA0003304037190000012
通过以下公式表示所述耗散率ε的输运方程：
Figure FDA0003304037190000013
其中，c1，c2，σk，σε是预设的不同的经验系数。
4.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，通过以下公式表示所述临界Shields模型:
Figure FDA0003304037190000021
其中，
Figure FDA0003304037190000022
其中，β是河床坡度角，
Figure FDA0003304037190000023
是预设的泥沙休止角，ψ是水流和上坡方向之间的角度，
Figure FDA0003304037190000024
是描述第i种泥沙粒径的无量纲的参数，i是指泥沙的种类。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，通过以下公式表示所述泥沙的卷吸升力模型:
Figure FDA0003304037190000025
其中，αi是挟沙参数，ns是指向压缩床界面的向外指向法线，ρi是泥沙密度，ρf是流体密度，di是泥沙粒径，d*描述泥沙粒径的无量纲化参数，θi是局部希尔兹数。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，通过以下公式计算所述推移质输移模型的推移质输沙率:
Figure FDA0003304037190000026
其中，qb,i是推移质输沙率，Φi是无量纲推移质输沙率。
7.一种基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测系统，其特征在于，包括：
第一设置模块，用于在预设的计算流体动力学CFD模拟软件中建立模拟任务，并设置所述模拟任务中的总计算时长、流体可压缩性、流体数量和单位制；
第二设置模块，用于设置所述模拟任务所需的物理模型和所述物理模型的物理参数，并导入流体的类别和属性；
建立模块，用于建立海底管道的二维冲刷模型，对所述二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置所述计算域的初始条件和边界条件；
监测模块，用于在所述海底管道的模型上设置监测点，采集所述监测点所受的流体力，以获取所述海底管道的流体力时程变化曲线，并对所述流体力时程变化曲线进行快速傅里叶变换FFT，所述流体力包括拖曳力和升力；
第三设置模块，用于设置所述模拟任务的输出时间间隔和输出数据的类型，并确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长；
计算模块，用于运行模拟计算，并以文本和图像的方式输出所述管道的振动频率变化曲线和所述管道周围的流场信息。
8.根据权利要求7所述的监测系统，其特征在于，所述第二设置模块具体用于：设置湍流模型、临界Shields模型、局部Shields模型、泥沙的卷吸升力模型、沉积模型、推移质输移模型和悬浮泥沙浓度模型。
9.根据权利要求8所述的监测系统，其特征在于，所述第二设置模块还用于通过以下公式表示所述湍流模型:
Figure FDA0003304037190000031
其中，μ1是湍流粘度，k是湍动能，ε是湍动能耗散率，Cμ是预设的常数；
通过以下公式表示所述湍动能k的输运方程：
Figure FDA0003304037190000032
通过以下公式表示所述耗散率ε的输运方程：
Figure FDA0003304037190000033
其中，c1，c2，σk，σε是预设的不同的经验系数。
10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一所述的基于CFD模拟的海底管道的振动频率监测方法。
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