基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析.pdf
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1、第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,2023基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析李秀,窦培林,赵世发,刘亚娇(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江2 12 0 0 0)摘要:合理分析管系的水锤效应,对管系的安全性、经济性都有着十分重要的意义。目前对水锤效应的研究往往只考虑流体与管道之间的作用情况,忽略了管系中管道与支架的整体性。为更加准确的计算管系水锤效应发生界面的水锤压力大小,以某深水通用性FPSO管道支架参数为基础,设计了一种易于简化计算的管系模型,通过对比分析仅考虑管道内流体、,
2、考虑管道内流体与管道耦合以及管道内流体与管路支架整体系统双向流固耦合时,水锤效应的情况。结果表明,仅考虑管道内流体、考虑管道内流体与管道耦合时,对水锤压力大小影响不大。当管道内流体与管路支架整体系统双向流固耦合时,计算结果有较为明显的降低(在计算工况下降低约6.0 6%),其原因在于管道支架在水锤效应发生时,产生了一定的变形(在计算工况下最大位移为0.0 47 2 m)。关键词:水锤效应;FPSO压载水管系;管路支架整体性;双向流固耦合;支架变形中图分类号:TH38文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 10 5-0 5Analysis of integral wat
3、er hammer effect of pipeline support(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212000,China)Abstract:Reasonable analysis of water hammer effect of pipeline system is of great significance to the safety and eco-nomy of pipeline system.At
4、 present,the study of water hammer effect often only considers the interaction between fluid andpipeline,ignoring the integrity of pipeline and support in the pipeline system,In order to more accurately calculate the waterhammer pressure at the interface where the water hammer effect occurs in the p
5、ipeline system,a pipeline model that is easyto simplify the calculation is designed based on the parameters of a deep-water universal FPSO pipeline support.Throughcomparative analysis,the water hammer effect is considered when only the fluid in the pipeline is considered,the fluid andpipeline coupli
6、ng in the pipeline are considered,and the two-way fluid solid coupling between the fluid in the pipeline andthe overall system of the pipeline support is considered.The results show that only considering the fluid in the pipeline andconsidering the coupling between the fluid in the pipeline and the
7、pipeline has lttle influence on the water hammer pressure.When the fluid in the pipeline and the overall system of the pipeline support are coupled in a two-way fluid solid way,thecalculation results have a significant reduction(about 6.06%in the calculation condition),because the pipeline support h
8、as acertain deformation when the water hammer effect occurs(the maximum displacement is 0.0472 m in the calculation condi-tion).Key words:water hammer effect;FPSO ballast water piping;pipeline support integrity;two-way fluid structurecoupling;support deformation0引言管道系统作为水利、交通运输等领域内重要流体介质的运输媒介,由于大高差、
9、停泵、闭阀等原因,收稿日期:2 0 2 2-11-0 3基金项目:江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX21_3503)作者简介:李秀(1998),男,硕士研究生,研究方向为船舶管路。文献标识码:Ain ballast water system based on FPSOLI Xiu,DOU Pei-lin,ZHAO Shi-fa,LIU Ya-jiaodoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.019会产生水锤效应,水锤对管道系统的寿命、安全性等方面有着很大影响,因此准确的水锤计算对管系十分重要-2 。X i 等 3 对石油工程油管的偏心水锤特性,通106
10、 过测试装置、粒子图像测速仪和瞬态压力测量系统进行分析,发现随着偏心距的增大,油套环空内外壁的压力增大,出现水锤现象。Micha等 4 通过在管道内插人弹性管,利用理论分析、实验测试和数值模拟等方法,发现加人弹性管的管道水锤压力增长明显降低。张巧玲等 5 基于特征线法,建立了考虑非恒定摩阻的含气瞬变流模型,对含气疏水管道的水锤特性进行了分析;郭强等 6 对厚壁输水管道在考虑流固耦合情况下的水锤和振动特性进行了分析。王祺武等 7 通过实例计算,对调节阀门全开工况下的关阀水锤进行计算分析,并对管路中的水锤压强进行改善,分析不同控制方式下,对于水锤情况的改善效果,表明单阀,双阀以及三阀调节对于管路中
11、水锤问题都有出色的控制效果。水锤效应在很多领域都有至关重要的影响,因此各国的专家学者对于水锤现象都进行了大量研究,对水利、交通运输等领域的发展起着重要的推动作用 8-10 。通过对相关文献阅读可发现,目前的研究只考虑了管道与管道内流体对水锤效应的影响,而忽略了管系中管道支架这一影响因素。本文为简化复杂的管路停泵水锤模拟过程,以某深水通用型FPSO管路系统参数为设计依据,设计了一种管型以简化数值仿真难度,并对典型的停泵水锤情况下,支架对水锤效应的影响情况进行分析,为实际工程中对水锤效应的准确分析提供参考。1模型建立1.1数值模型本文涉及的管系参数均来源于某深水通用型FPSO压载水管路系统,系统中
12、的流体介质为水,可视为不可压缩流体。其中,管路截面上的流动差异对计算结果影响较小,是可忽略的!。基于一维水锤方程和特征线法,建立实验研究的数值计算模型。流体的动量方程和连续性方程为 12 H8x2DH=0。8x式中:g为重力加速度;H为水头压力;v为流速;x为轴向间距;t为时间;f为流阻系数;为水锤传VK/p播速度,a=KDV1+ESC量;p为流体介质的密度;D为管道直径;E为管道材料的弹性模量;8 为壁厚;c为管道的支撑系数,取0.91。舰船科学技术引入特征值入=g/a,则式(1)和式(2)可转化为两组微分方程:8dHdvfvl=0,十a dtdt2DC+dx=+a。dt8dHdv十Cadt
13、dt2Ddx=-a。dt通过式(3)和式(4)可知,管道中水流的压力会以波的形式传递,其传递速度为。而压力值的大小则等于2 个方向(+a/-a)的水锤波叠加。将管道在x方向离散成N等分,每等份的长度为x,将时间步长取为t。如果t=x/a,则网格的对角斜率为=1/a或-1/a,分别满足式(3)、式(4)的第二个方程。将速度v用流量Q代替,沿特征线对式(3)式(4)的第一个方程进行差分。由当前时刻节点i-1处的压力Hi-1、流量Qi-1和节点i+1处的压力Hi+1、流量Qi+1,迭代求出下一时刻节点i出的压力H,和流量QioH;=(Cpi+CMi),22B(Cpi-CMi)。(Cpi=Hi-1+Q
14、i-1(B-RlQi-1l),(CMi=Hi+1+Qi+1(B-RIQi+il)。B=a/gA,(R=fAx/2gDA?。式中:A为管道截面积;B和R为常数;Cpi和CMi均为计算的过程量。1.2管系模型建立为更好地分析管道支架对水锤效应的影响,利用vv=0,(1)(2)其中K为流体介质的弹性模第45卷(3)v以=0,(4)(5)(6)(7)Ansys软件进行管系与管道水流的流固双向耦合计算,由于常见管系停泵水多产生于水泵处,需重点研究的边界面属于变界面情况,水泵处的水锤压力监测以及双向流固耦合的过程十分复杂,对计算机的运算能力要求太高。因此提出一种基于某深水通用型FPSO压载水管系参数设计的
15、简化水锤计算模型,在简化计算的同时,更好地模拟水锤产生的过程及不同算例形式对水锤大小的影响,以得出具有普遍参考意义的研究结果。如图1所示,模型为对称三通管结构,有水泵连接口(入水口)提供泵水压力,在水锤监测界面监测第45卷水锤压力,其管系各部分参数如表1所示。此外,由海上移动平台入级规范及相应计算准则,FPSO压载水管网系统水泵扬程为45m,因此可选择泵压为450000Pa的水泵113。李秀,等:基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析-outletoutlet2022/10/5 11:47wallBinletwall-fsiDoutlet支架1107wall000Z一水锤监测界面支架4
16、图1水锤计算简化模型示意图Fig.1 Simplified model of water hammer calculation表1管系各部分参数表Tab.1 Parameters of all parts of the pipeline system参数数值管道直径/mm406管卡圆环直径/mm448管托高度/mm400管道壁厚/mm20管卡圆环厚度/mm管系总高/mm10624管卡圆环宽度/mm150管托宽度/mm150管道材料玻璃钢管卡材料结构钢管托材料结构钢2管系水锤效应数值仿真2.1基于Fluent管系水锤流体仿真通过SolidWorks建模软件,基于图1建立三维模型,导入Fluent
17、软件中,抑制掉管道和支架部分,进行流体仿真(计算模型见图2)。设置其人口压力为45000Pa,时间步为2 0 0 0 步,步长0.0 1s,在管系正常运行10 s后闭阀(Fluent中通过Event命令进行模拟)以进行试算。为更好地了解水锤情况,选择wall-fsi界面进行压力监测,其结果如图3所示。通过监测数据其水锤压力最值为-2.40 910 7 Pa,出现在10.0 1s时刻。此外,由图3及监测具体数据可知,当管系运行6 s时,管系内水流水压趋于稳定,因此在6 s时刻停泵即可模拟管系水流稳定后停泵较为准确的水锤压力值。在后续的双向流固耦合计算中为减小运算量,设置运算时间为12s,在6 s
18、时停泵。2.2将支架简化为约束的双向流固耦合管系水锤仿真通过AnsysWorkbench模块,利用SystemCoupling建立Fluent与Transient Structure的双向流固耦合系统,wall-fsi支架201000水泵连接口(入水口)证1000参数inlet3.51.75图2 Fluent流体仿真计算模型Fig.2 Fluent fluid simulation calculation model支架3-5.00000010:0000001500000020.000000数值参数数值13管托厚度/mm137.0/m5.250250000000图3管系流体仿真wall-fsi
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