CN115062519A - 一种水底管道局部冲刷地貌分析方法 - Google Patents

一种水底管道局部冲刷地貌分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，该方法包括：获取待测水底管道局部砂床参数与流场参数并进行模型构建，得到离散元模型和计算流体力学模型；设置离散元模型和计算流体力学模型的边界条件；基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果。通过使用本发明，能够解决现有冲刷分析方法经验性强、无法反映颗粒实际运动情况的问题。本发明作为一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，可广泛应用于海岸动力学技术领域。

Description

一种水底管道局部冲刷地貌分析方法
技术领域
本发明涉及海岸动力学技术领域，尤其涉及一种水底管道局部冲刷地貌分析方法。
背景技术
管道运输是各类液态气态资源最直接高效的输送方式，管道是资源输送中的“生命线”装备。然而，在运营过程中管道极易被水流冲刷导致裸露和悬空，缩减管道运营寿命，甚至引发严重的事故。在管道运行的过程中，上游水流持续对管道下方的砂床进行冲刷，水流带动管道周围颗粒堆积体表层的若干个单体颗粒，使其产生沿流速方向的运动速度，将其带离砂床，使管道下方产生冲刷坑，并在管道下游形成颗粒堆积砂丘，并最终形成冲刷地貌。
传统管道冲刷模拟方法基于单相模拟方法，采用泥沙输运模型作为边界条件，具有较大的经验性，无法模拟冲刷过程中颗粒的运动状态以及颗粒中水流的运动状态，具有一定的局限性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，能够解决现有冲刷分析方法经验性强、无法反映颗粒实际运动情况的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，包括以下步骤：
获取待测水底管道局部砂床参数与流场参数并进行模型构建，得到离散元模型和计算流体力学模型；
设置离散元模型和计算流体力学模型的边界条件；
基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果。
进一步，所述砂床参数包括颗粒粒径级配、颗粒堆积体摩擦角和颗粒材料密度；所述流场参数包括上游来流流速、摩阻流速、速度零点、波浪周期、波高和波速。
进一步，还包括对砂床参数中的颗粒堆积体进行物性参数实验，得到颗粒粒径、密度和颗粒内摩擦角。
进一步，离散元模型的边界条件包括：
判断到水流流速小于预设阈值，设置为固定边界条件；
判断到水流流速大于预设阈值，在水流方向上设置为周期边界条件，其它方向设置为固定边界条件。
进一步，计算流体力学模型边界条件包括：除去颗粒离散元模型的位置，其余的砂床位置设置为无滑移壁面边界条件，流场顶部设置为对称边界条件，来流入口处设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件。
进一步，来流入口流速使用对数流分布，其计算方程具体如下：
Figure BDA0003733642810000021
上式中，uf是摩阻流速，z0是流速零点。
进一步，所述基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果这一步骤，具体包括：
获取待测水底管道周围空间的几何尺寸并使用有限体积法对流场域进行离散，构造计算流体力学计算网格；
获取流场状态并输入离散元模型进行计算，得到颗粒状态；
将颗粒状态输入计算流体力学模型进行计算，根据颗粒在有限体积法网格中的占比计算流场状态并更新结果；
将更新后的结果输入离散元模型进行重复迭代直至设定时间停止计算，得到冲刷地貌结果。
进一步，还包括当待测水底管道走向垂直于水流方向时，耦合计算进行二维模拟。
进一步，耦合计算过程中，离散元模型计算次数多于计算流体力学模型计算次数。
进一步，将计算流体力学模型的库朗数设置为小于1。
本发明方法的有益效果是：本发明充分利用了计算流体力学和离散元方法的优点，通过构建水下管道周围流场的计算流体力学模型和砂床颗粒堆积体离散元模型，对管道周围局部冲刷进行模拟。模拟结果能正确反映颗粒冲刷过程中各个颗粒的运动状态，并且充分反映砂床中水流流场状态，并最终能计算出管道周围冲刷平衡时的冲刷地貌。
附图说明
图1是本发明一种水底管道局部冲刷地貌分析方法的步骤流程图；
图2是本发明具体实施例待测水底管道周围流场状态与颗粒参数；
图3是本发明具体实施例计算流体力学模型计算域网格划分示意图；
图4是本发明具体实施例颗粒位置初始化流程示意图；
图5是本发明具体实施例离散元模型边界条件示意图；
图6是本发明具体实施例冲刷地貌模拟结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提供了一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取待测水底管道局部砂床参数与流场参数并进行模型构建，得到离散元模型和计算流体力学模型；
具体的，砂床参数包括颗粒粒径级配、颗粒堆积体摩擦角和颗粒材料密度；所述流场参数包括上游来流流速、摩阻流速、速度零点、波浪周期、波高和波速。
离散元模型是指颗粒离散元法接触模型，接触模型的实质就是拟静态下颗粒固体的接触力学弹塑性分析结果。湿颗粒接触模型是在两圆球之间存在液桥或处于浸渍状态下，当两球有法-切相对运动时，因流体粘性产生的法向挤压力或切向阻力，故此实施例优选的离散元模型是软球模型，采用Hertz-Mindlin模型计算颗粒之间的接触法向力和切向力。
计算流体力学是通过数值方法求解流体力学控制方程，得到流场的离散定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。计算流体力学的方程可分为无粘性(Euler方程)与粘性(N-S方程)两类，由于此实施例的计算流体力学应用于平直砂床上单管道在稳态流作用下局部冲刷地貌的模拟，而主要适用于低速、不可压缩的流动现象，故此实施例优选的计算流体力学模型是采用雷诺时均方法求解N-S方程，湍流模型使用SST k-ω双方程模型。
其中，颗粒堆积体是指由大量颗粒堆积而成。颗粒的堆积性质是指粒体内部、颗粒在空间的排列状态或粒体的结构特性。
砂的颗粒级配是指不同粒径的砂粒搭配比例。良好的级配指粗颗粒的空隙恰好由中颗粒填充，中颗粒的空隙恰好由细颗粒填充，如此逐级填充使砂形成最密致的堆积状态，空隙率达到最小值，堆积密度达最大值。
软球模型采用的基本方程是动量方程和动量矩方程，在软球模型中当两个颗粒碰撞时，假定颗粒保持形状不变，而是互相叠加，叠加力越大，颗粒所受的力也就越大。
雷诺时均N-S方程是流场平均变量的控制方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理N-S方程可以得出雷诺时均N-S方程。再引入Boussinesq假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数(即湍流粘性系数)的计算。其模型概念：正是由于将控制方程进行了统计平均，使得其无需计算各尺度的湍流脉动，只需计算出平均运动，从而降低了空间与时间分辨率，减少计算工作量。在计算流体力学中使用的三种k-ε模型、Spalart-Allmaras模型、k-ω模型及雷诺应力模型等都属于湍流模式理论。SST k-ω模型由Menter发展，以便使得在广泛的领域中可以独立于k-ε模型，使得在近壁自由流中k-ω模型有广泛的应用范围和精度。为了达到此目的，k-ε模型变成了k-ω公式。SST k-ω模型和标准的k-ω模型相似，但有以下改进：SST k-ω模型和k-ε模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。混合功能是为近壁区域设计的，这个区域对标准的k-ω模型有效，还有自由表面，这对k-ε模型的变形有效。SST k-ω模型合并了来源于ω方程中的交叉扩散。湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传播。模型常量不同。这些改进使得SST k-ω模型比标准k-ω模型在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。
进一步的，还需要对砂床参数中的颗粒堆积体进行物性参数实验，得到颗粒粒径、密度和颗粒内摩擦角。
其中，颗粒粒径采用中值粒径，密度采用颗粒材料的密度，颗粒内摩擦角使用颗粒堆积体摩擦角的正切值，基于此设置颗粒属性如图2所示。
需要说明的是，粒的大小称作粒度，颗粒的直径称做粒径。通常用粒径来表示粒度。我们知道只有圆球形的几何体才有直径，而实际测量的物质形状各异，是有不存在真实直径的。因此在粒度分布测量过程中所说的粒径并非颗粒的真实直径，而是虚拟的“等效直径”。等效直径是当被测颗粒的某一物理特性与某一直径的同质球体最相近时，就把该球体的直径作为被测颗粒的等效直径。因此用不同原理设计的粒度测量方法的数据经常有较大的差异。虽然有些仪器有软件进行换算，实际使用既没必要，也不准确。中值粒径是指一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％。
S2、设置离散元模型和计算流体力学模型的边界条件；
具体的，离散元模型的边界条件如图5所示：
判断到水流流速小于预设阈值，此时水流流速较小会形成清水冲刷，设置为固定边界条件；
判断到水流流速大于预设阈值，此时水流流速较大会形成动床冲刷，在水流方向上设置为周期边界条件，其它方向设置为固定边界条件。
需要说明的是，在固定边界条件下，颗粒不会穿过壁面，周期边界条件下颗粒越过边界后应从与之相对的面以相同的速度出现。
计算流体力学模型的边界条件如图3所示：
除去颗粒离散元模型的位置，其余的砂床位置设置为无滑移壁面边界条件，流场顶部设置为对称边界条件，来流入口处设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件。
其中，来流入口流速使用对数流分布，其计算方程具体如下：
Figure BDA0003733642810000051
上式中，uf是摩阻流速，z0是流速零点。
此实施例中，如图2所示，基于来流流场状态设置计算域入口流速，uf＝0.072，κ＝0.04，z0＝8.5×10-5。
S3、基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果。
S3.1、获取待测水底管道周围的空间几何状态并确定颗粒堆积体空间位置，采用落砂法初始化颗粒堆积体空间位置；
具体的，初始化颗粒堆积体空间位置的详细步骤如下：
如图4所示，在初始化颗粒位置时，通过落砂法将颗粒堆积体密铺在水底，颗粒最初设置时，底部位置位于研究区域的底部，顶部为颗粒初始位置的1.5倍高度，在无水流作用下模拟一定时长，具体初始化模拟时长通过多次重复模拟可得，只需令耦合计算开始时颗粒无明显运动即可。
S3.2、获取待测水底管道周围空间的几何尺寸并使用有限体积法对流场域进行离散，构造计算流体力学计算网格；
如图3所示，在此实施例中，计算流体力学中的流场域就是物理域，指实际需要研究的存在流体的物理空间，也就是获取待测水底管道周围空间的几何尺寸，计算域是与这个物理域对应的一个虚构的正规空间，比如二维问题就对应一个虚构的矩形平面，三维问题就对应一个虚构的立方体。物理域上网格大小不一，计算域上的网格在各个方向上，分别完全等间距。
需要说明的是，此实施例中的流场域包括了离散颗粒堆积体的空间几何位置。
有限体积法是计算流体力学中常用的一种数值算法，有限体积法基于的是积分形式的守恒方程而不是微分方程，该积分形式的守恒方程描述的是计算网格定义的每个控制体。有限体积法着重从物理观点来构造离散方程，每一个离散方程都是有限大小体积上某种物理量守恒的表示式，推导过程物理概念清晰，离散方程系数具有一定的物理意义，并可保证离散方程具有守恒特性。
S3.3、获取流场状态并输入离散元模型进行计算，得到颗粒状态；
具体的，流场状态包括流场的压强和流速，颗粒状态包括颗粒位移、速度和加速度。
在离散元模型的计算过程中，首先获取颗粒材料密度和颗粒粒径，确定计算步长，然后每隔一个时间步长对流场中的所有颗粒进行一次扫描，计算每一个颗粒所受的合力、速度、角速度以及位置，当颗粒处于接触状态时，先计算出某个颗粒的法向叠加量和切向叠加量的大小，再求出合力的大小，使用冲量方程计算出一个时间步长后该颗粒的速度和位置；再根据颗粒所受的切向力，应用动量矩方程求出一个时间步长后颗粒的角速度，由此在一个时间步长内可以求出流场中所有颗粒的运动情况和受力情况，从而可以求出在一段时间内所有颗粒的运动轨迹。
S3.4、将颗粒状态输入计算流体力学模型进行计算，根据颗粒在有限体积法网格中的占比计算流场状态并更新结果；
具体的，计算流体力学模型在计算过程中库朗数应尽可能小于1，若大于1并出现明显的上升趋势，该结果作废并应调整计算步长重新开始计算。
S3.5、将更新后的结果输入离散元模型进行重复迭代直至设定时间停止计算，得到冲刷地貌结果。
具体的，重复迭代是指重复步骤S3.4和S3.5，离散元模型获取流场状态计算颗粒所受流场作用力，更新颗粒的位移、速度和加速度状态，计算若干步后，计算流体力学模型获取颗粒状态，根据颗粒在有限体积法网格中的占比计算流场状态并更新结果，将数据更新给离散元模型进行重复迭代计算，计算两个小时后停止计算，得到冲刷地貌结果，此实施例冲刷地貌结果如图6所示。
其中，当管道走向垂直于水流方向时，耦合计算进行二维模拟，即不考虑沿着管道方向的水流流速、颗粒速度和加速度，单纯对垂直于管道走向的物理量进行计算，从而减小计算量。
进一步的，为了保证计算精确度的情况下提高计算效率，在耦合计算过程中，离散元模型计算次数多于计算流体力学模型计算次数。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待测水底管道局部砂床参数与流场参数并进行模型构建，得到离散元模型和计算流体力学模型；
设置离散元模型和计算流体力学模型的边界条件；
基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果。
2.根据权利要求1所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，所述砂床参数包括颗粒粒径级配、颗粒堆积体摩擦角和颗粒材料密度，所述流场参数包括上游来流流速、摩阻流速、速度零点、波浪周期、波高和波速。
3.根据权利要求2所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，还包括对砂床参数中的颗粒堆积体进行物性参数实验，得到颗粒粒径、密度和颗粒内摩擦角。
4.根据权利要求1所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，离散元模型的边界条件包括：
判断到水流流速小于预设阈值，设置为固定边界条件；
判断到水流流速大于预设阈值，在水流方向上设置为周期边界条件，其它方向设置为固定边界条件。
5.根据权利要求1所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，计算流体力学模型边界条件包括：除去颗粒离散元模型的位置，其余的砂床位置设置为无滑移壁面边界条件，流场顶部设置为对称边界条件，来流入口处设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件。
6.根据权利要求5所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，来流入口流速使用对数流分布，其计算方程具体如下：
Figure FDA0003733642800000011
上式中，uf是摩阻流速，z0是流速零点。
7.根据权利要求1所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，所述基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果这一步骤，具体包括：
获取待测水底管道周围空间的几何尺寸并使用有限体积法对流场域进行离散，构造计算流体力学计算网格；
获取流场状态并输入离散元模型进行计算，得到颗粒状态；
将颗粒状态输入计算流体力学模型进行计算，根据颗粒在有限体积法网格中的占比计算流场状态并更新结果；
将更新后的结果输入离散元模型进行重复迭代直至设定时间停止计算，得到冲刷地貌结果。
8.根据权利要求7所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，还包括当待测水底管道走向垂直于水流方向时，耦合计算进行二维模拟。
9.根据权利要求7所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，耦合计算过程中，离散元模型计算次数多于计算流体力学模型计算次数。
10.根据权利要求7所述一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，其特征在于，将计算流体力学模型的库朗数设置为小于1。
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