海底输液管道内流、轴向力和压强对允许悬空长度的影响

以海底悬跨段输液管道为研究对象,考虑管内流体流动及管道轴向力和压强的作用,对其进行受力分析,导出管道振动微分方程。由于内流流速项的影响,使得导出的管道振动微分方程不能用振型分解法直接求解,故本文将解表示为具有正弦和余弦的对称和反对称的各个空间振型的总和,从而求出悬跨段管道固有频率。为防止管道发生横向涡激振动,用约化速度作为控制条件,求解出管道允许悬空长度。结果表明,管道允许悬空长度随着内流流速、轴向压力和管内压强的增加而减小,随着轴向拉力的加大而增大。     

潮流作用下环礁断面的流动特征研究

本文首先通过循环水槽试验测量分析了正向和反向潮流影响下概化环礁断面的流动特性,试验结果表明：在正向流和反向流作用时,礁坪上仅存在亚临界流,并可观察到经典的壁面有界流动流速剖面特征;沿礁的平均水位与各个测线上的流速随潮流幅值的增大而增大。本文随后采用雷诺平均的Navier-Stokes方程并结合标准的k-ωSST湍流模型建立数值水槽,进一步研究了多种水动力与礁型因素影响下前后礁外礁缘处的流速变化规律。数值模拟结果表明：后礁外礁缘处的平均流速均大于前礁外礁缘处;平均流速随潮流幅值的增大而增大,随礁坪水深、礁坪宽度、潟湖宽度和礁前斜坡坡度的增大而减小;最后基于数值模拟结果提出了预测各种因素影响下前后礁外礁缘处流速的幂函数型经验公式。     

考虑阻尼海底悬跨段管道的动力特性及允许悬空长度

以海底悬跨段输液管道为研究对象,考虑管道结构阻尼、流体附加阻尼、管内流体流动及管道轴向力和压强的作用,对其进行受力分析,导出管道振动微分方程,进而得到管道动力特性方程。用Hermit插值函数对管道的动力特性方程进行离散得到有限元表达式,采用复模态分析法,求得管道的自振频率。为防止管道发生横向涡激振动,用约化速度作为控制条件,确定管道允许悬空长度。结果表明,管道允许悬空长度随着内流流速、轴向压力和管内压强的增加而减小,随着轴向拉力的增加而加大。     

含水合物CH_4—H_2O体系中溶解甲烷的拉曼光谱原位监测

利用低温高压反应舱模拟海底水合物生成环境,采用原位拉曼光谱技术在线测定含水合物CH_4—H_2O体系中溶解甲烷的拉曼光谱,基于相关理论模型建立了溶解甲烷的拉曼光谱工作曲线(相关系数为0.999 77),定量分析了水合物形成后体系温度、压力对溶解甲烷浓度的影响。结果表明,拉曼光谱技术可准确测定溶解甲烷的浓度,实测溶解甲烷浓度值与理论计算值相吻合,相对误差小于5%。当体系中水合物形成后,温度对溶解甲烷的影响占主导作用,压力影响相对较弱,溶解甲烷浓度随温度升高显著增大,随压力升高而减小;而在气-液两相的情况下,温度与压力对体系内溶解甲烷浓度的影响正好相反。这很好地阐明了在天然气水合物稳定域内、外溶解甲烷浓度的变化特征。     

钛/碳钢在海水中电偶腐蚀的研究

研究了国产纯钛和碳钢Q235在青岛近海海水中的电偶腐蚀情况。测定这两种金属材料的自然腐蚀电位和失重速率；用IM6e电化学工作站测定两种金属材料在海水中的稳态极化曲线，研究其极化性能；测定了碳钢与钛组成不同面积比、不同温度、不同海水流速时电偶电流的大小、方向，电偶电位，以及不同面积比时阳极的失重速率。结果表明，阳极的腐蚀速率随阴／阳极面积比、环境温度、海水流速的增大而增加，且阳极腐蚀速率随阴／阳极面积比的增大趋于极限值。     

水下输液管道动力特性研究

该文研究水下横向输液管道的动力特性 ,假定管道系统承受外界均匀流的作用 ,同时考虑管内流体流动的影响 ,建立了水下输液管道侧向振动的微分方程。采用 Hermite插值函数和Galerkin法离散得到其有限元标准形式。研究管内流动为恒定流时输液管道长度、内部流体流动速度对管道动力特性的影响及管内流动含有谐波挠动的情况下输液管道固有频率的变化。结果表明 ,在管内恒定流动的情况下 ,输液的自振频率随管道长度及管内流速的增加而降低 ,同时管内流动的谐波挠动对管道的自振频率也有影响。     

普通黑烟囱热液系统及巨羽流形成的基本数学模型

建立了一种新的管状模型来模拟普通黑烟囱体的热液循环系统,分别用达西方程、湍流方程、Ergun方程和“浮压力差”方程来描述热液循环不同关键环节处的动力学系统,用一个温度场的对流-扩散方程来描述反应区的热能交换及系统的温度变化规律.在联立几个方程并用有效的数值算法及Matlab语言编程求解后,得出了系统中温度、压力及物质流速随时间的变化曲线,并对黑烟囱体内部的动态热平衡和压力平衡进行了分析.在普通黑烟囱体系统模型的基础上进一步建立了巨型羽状流(巨羽流)生成的数学模型.选择胡安·德富卡(Juan de Fuca)洋脊热液喷口对巨羽流的形成进行了模拟,其结果与Baker根据实测数据估算的近似值吻合很好.在上述模型的基础上进一步探讨了巨羽状流形成的一系列条件及主要参数对巨羽流生成周期、温度和最大物质流速等的影响.主要结论如下:巨羽流系统可以由普通黑烟囱系统发展演化而成,其实际过程是普通黑烟囱流系统活动所形成的热液沉积在一定程度上会堵塞热液喷溢通道(相当于形成盖层),造成热液在海底之下积蓄和升温,从而导致浮压力差增大,经过2~3 a(浮压力差达到盖层破裂极限值)则可形成巨羽流系统,巨羽流产生时的热源温度必须超过500℃,喷出热液的最高温度为413℃左右(与实际观测到的海底热液的最高温度一致).当反应区热源温度增大时,产生巨羽流的临界时间明显变短(可能不到1 a),而临界温度(巨羽流生成时的温度)及巨羽流的最大物质流速几乎不随其变化;随着渗透率的增大,巨羽流的最大物质流速也随之增大,但其增速随渗透率的进一步增大而变缓,并逐渐趋向一个相当于下渗流无摩擦阻力时的极限稳定值.     

海流作用下海底管道局部冲刷数值分析

在任意拉格朗日-欧拉参考坐标系下,采用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程组(RANS)、流线迎风有限元方法、泥沙输运模型以及底床变形方程,对海流引起的海底管道局部冲刷进行了数值模拟。着重讨论了均匀来流流速和海底管道直径对局部冲刷发展过程及平衡冲刷深度的影响作用。数值结果表明,在冲刷的初始阶段,冲刷深度随时间迅速增加,之后缓慢逼近极限平衡深度;在管径一定的情况下,管道附近的局部平衡冲刷深度与流速大致呈线性关系;当流速超过某一临界区域后,最大平衡冲刷深度出现的位置并不在管道正下方,而是随流速的增加向管道下游方向移动;另外,管道直径也会对平衡冲刷深度产生比较明显的影响,在相同流速下,平衡冲刷深度大致随管径呈线性增大。在本文的计算范围内,海底管道的相对局部平衡冲刷深度基本随雷诺数线性增加,但流速对冲刷深度的影响作用要比管径的影响作用更为明显。     

多因素诱发海底管道轴向定向位移量计算方法

深水管道的启闭作业造成了管道内部温度与压力的往复施加,导致管道产生沿轴向的定向位移("walking"现象),成为油气输送系统安全的重大隐患,准确预测管道的轴向定向位移量是提出防控措施的关键。首先阐明当管道受到来自悬链线立管(SCR)张力、海床倾角以及内部瞬态热梯度作用时产生轴向定向位移的机理;建立单因素与多因素诱发管道轴向定向位移的数值模拟方法,揭示管道轴向定向位移量与不同诱因之间的非线性对应关系;修正单因素诱发管道轴向定向位移量的计算公式,提出了多因素耦合作用下确定管道轴向定向位移量的方法。     

内孤立波波致流场数值模拟研究

基于KdV、mKdV理论,利用Fluent计算软件,采用"平板拍击"造波方法,进行内孤立波数值模拟,并与物理实验结果进行对比验证。利用数值模拟结果,分析内孤立波波致流场变化,结果表明:上下层流体中波致水平流速方向相反,均呈现先增加后减小的变化趋势,且波谷经过时刻流速最大;在波谷经过断面处,波致水平流速在上层流体中沿垂向分布无明显变化,在波面以下的下层流体中有衰减趋势,但衰减很小;两层流体界面与波谷之间存在过渡水深范围,水平流速在该水深范围内沿垂向衰减明显,且随内孤立波振幅的增大,过渡水深范围有所增大。     

海洋温差能氨水工质引射器对热力循环性 能影响的理论研究

本文研究了使用引射器来提高海洋温差能热力循环效率,热力循环采用氨-水混合工质,通过对使用引射器与没使用引射器的热力循环进行数值模拟和对比分析,探究不同工质浓度、透平进口压力和温、冷海水温度对循环净输出功和热力循环效率的影响。研究结果表明,使用引射器后循环净输出功和热力循环效率都得到了提高。随着氨工质浓度的增加,循环净输出功不断增加,热力循环效率先增大后减小;随着透平进口压力的变化,循环净输出功和热力循环效率均先增大后减小;循环净输出功和热力循环效率随温海水温度的升高而升高,随冷海水温度的升高而减小。     

海底双层管单层连接管道结构受力分析

粘性高的海洋石油通常需要通过海底保温管道加温输送.温度变化会引起管道变形,并在管壁内产生较大的温度应力.同时,管道正常运营期间还受到管道内压、外压、管内流体粘滞力和土体摩擦力等环境荷载的作用.复杂的环境可能导致海底管道轴向应力过大发生破坏.为了提高铺管效率,提出了双层管单层连接管道这一特殊管道形式,并从理论上分析温度变化和环境荷载对该管道的影响,计算正常运行时管道不同位置处横截面内最大Von-Mises应力.最后得到了Von-Mises应力沿管道轴线分布情况,发现内管和单层连接管的应力一般比外管大,变径管和内管的焊缝处是Von-Mises应力最大的地方.     

基于OLGA的海底管道水合物的生成和影响因素分析

海底管道是海洋油气输送的重要纽带。为解决海底管道面临的水合物生成和堵塞问题,文章结合海底多相流管道水合物生成的数学模型,采用OLGA对海底管道不同含水率、气油比和流量下水合物的生成情况进行数值模拟。研究结果表明：在某海底管道的工艺参数条件下,水合物生成风险随着含水率和流量的增大而降低,随着气油比的增大而增加;海底水平管路和立管都有可能生成水合物,尤其立管常是水合物最大生成量的位置;模拟结果可为海底管道水合物的防治和保障海底管道的安全运行提供参考。     

细长输流管内外流耦合振动特性研究

管内流动会影响输流管的振动响应,目前关于输流弹性管涡激振动方面的研究较少。基于计算流体力学(CFD)方法,开展内外流对细长输流弹性管振动特性影响的研究。首先在不考虑内流的情况下将弹性管涡激振动数值预报结果与模型试验数据进行对比,验证了数值方法的可靠性。再者考虑内外流耦合作用情况下,对不同内流流速下细长输流弹性管振动位移时—空分布、顺流向最大平均偏移、振动轨迹、内部横向涡的形成与分布等进行了对比分析。结果发现,与外流流速相比,内流流速的增加虽然难以改变弹性管的主振模态,但对沿管体的振动强度影响显著。顺流向最大偏移处管体运动轨迹发生明显的变形和跳跃。在剪切外流和均匀内流对弹性管的联合作用下,沿管跨方向模态间能量转换频繁,伴随着间歇性出现或消失的沿弹性管传播的行波组分,这主要归因于复杂的双重流固耦合系统(外流—管体,内流—管体)。在内流以附加质量力、离心力和科氏力形式的激励下,弹性管内二次流现象明显。在振动过程中,内部横向涡沿管壁生成、脱落并逐渐散布于整个横截面。     

受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究

基于耦合流场和热噪声的相场模型及合理高效的三维动态求解域加速算法,定量模拟了在受迫流动下枝晶的非对称生长及流速对迎流、背流两侧的温度分布和层流层分布的影响.计算结果表明,受迫流动使迎流、背流两侧温度的分布与层流层分布呈现不对称状态,导致迎流侧与背流侧的过冷度不同,而熔体施加于枝晶界面前沿迎流侧的力还不足以抑制过冷度的作用,结果造成枝晶迎流方向优先生长,从而产生倾向于散热方向的倾斜;同时,由于迎流侧的实际过冷度大于背流侧,有利于促进迎流一侧枝晶生长速度以及稳定侧向分枝生长,从而导致了侧向分枝的非对称生长.随     

双齿围沙蚕对潮汐更替的行为响应

潮汐更替对潮间带生物的生理和行为影响显著,底内动物可以通过行为过程建立适宜的微环境适应潮间带环境变化。本实验运用行为学观测装置研究了双齿围沙蚕对潮汐更替的行为响应特征。实验设置3个温度梯度（15℃、20℃和25℃）和4个时间段（T1: 退潮前、T2: 退潮后、T3: 涨潮30 min内和T4: 涨潮30 min后）,每个处理组设6个重复。结果显示,在同一时间段内,随着温度的升高,双齿围沙蚕的径向起伏频率、径向起伏泵水速率、轴向爬行速度和头尾对调次数呈增大的趋势,头尾对调一次的时间逐渐缩短。同一温度下,双齿围沙蚕在T3时间段内的径向起伏频率、轴向爬行速度、径向起伏泵水速率、径向起伏泵水效率、轴向爬行时间和头尾对调次数均高于其他时间段,头尾对调一次的时间均有短于其他时间段的趋势;T1和T4时间段内的所有运动指标均无显著差异（p>0.05）。20℃时,双齿围沙蚕在T3时间段比T1时间段的径向起伏频率和泵水速率的增幅均高于15℃和25℃时。同一时间段内,双齿围沙蚕径向起伏时间的最大值和轴向爬行时间的最小值均出现在20℃。15℃和20℃时,双齿围沙蚕在T1和T3时间段内的轴向爬行速度均无显著差异（p>0.05）。但是在25℃时,T3时间段内双齿围沙蚕的轴向爬行速度显著高于T1时间段（p<0.05）。结果表明,双齿围沙蚕的运动强度随温度升高而增强,在水温为20℃时,其在沉积物中的运动状态较佳。退潮后双齿围沙蚕轴向爬行运动较为缓慢;刚涨潮时,双齿围沙蚕的运动强度显著增加;涨潮30 min后,双齿围沙蚕的运动逐渐恢复到与退潮前相近的状态。双齿围沙蚕可以通过一系列运动行为应对潮汐更替产生的不利条件。     

海洋环境荷载下输液立管的静、动力特性研究

考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用 ,建立海洋立管侧向运动微分方程。用Hermite插值函数离散 ,在微机上编写海洋立管静、动力分析程序 ,通过计算分析研究管内流体对立管侧向变形和应力的作用 ;另外 ,探讨管内流体的流动速度和立管顶端的预张力对立管动力特性的影响。结果表明 ,立管变形和应力均随管内流体流动速度增加而增大 ,同时内流速度的增大会降低立管的固有频率 ,但适当增大立管顶端预张力会抵消内流流速增加引起的固有频率下降。     

胶州湾海水中一氧化碳光致生成影响因素的研究

海水中的一氧化碳(CO)主要由溶解有色有机物(CDOM)光降解产生,且CO的光致生成量受到环境因素的影响。采集了胶州湾及其河口表层水样,通过实验室模拟实验开展了不同的环境条件(辐射强度、光照时间、温度、pH和盐度)以及水体中CDOM的来源对CO光致生成的影响研究。结果表明胶州湾海水中CO的光致生成速率随辐射强度的增强、水温的升高和水体pH的增大而增大;随着光照时间的延长、水体盐度的增大而逐渐减小;不同来源的CDOM对水体中CO的光致生成速率产生了不同的影响。     

胶州湾海水中一氧化碳光致生成影响因素的研究

海水中的一氧化碳(CO)主要由溶解有色有机物(CDOM)光降解产生,且CO的光致生成量受到环境因素的影响。采集了胶州湾及其河口表层水样,通过实验室模拟实验开展了不同的环境条件(辐射强度、光照时间、温度、pH和盐度)以及水体中CDOM的来源对CO光致生成的影响研究。结果表明胶州湾海水中CO的光致生成速率随辐射强度的增强、水温的升高和水体pH的增大而增大;随着光照时间的延长、水体盐度的增大而逐渐减小;不同来源的CDOM对水体中CO的光致生成速率产生了不同的影响。     

轴线倾斜海底管道冲刷速率试验研究

通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程,分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验,建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式,并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验,在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上,结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系,建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。