[发明专利]一种海底管道散热的室内模拟装置及方法

说明书

本发明公开的一种海底管道散热的室内模拟装置及方法，属于油气储运工程技术领域。根据海底热油管道热力系统组成和特点，基于相似性原理，设计了海底热油管道室内模拟实验系统。通过控制流体的温度、流量等参数，开展海底管道静态和动态散热实验。通过调整模拟海水流速及流向，对不同底层流速情况开展实验研究，得到底层水流速对管道散热及土壤温度场分布的影响。通过测定模拟海水底层流速，进而研究底层水流速、流向对海底管道散热、海底土壤温度分布的影响。根据实验测定的底层流速确定对流换热模型，使该边界回归对流换热本质；明确海水/海床换热边界表征方法及适用范围，为建立海底管道散热数学模型提供稳健的边界条件表征方法。

技术领域

本发明属于油气储运工程技术领域，具体涉及一种海底管道散热的室内模拟装置及方法。

背景技术

海底管道是连接海上油气田、储油气设备与陆地终端的重要纽带。近年来，受海洋石油发展势头推动，我国海底管道的建设步伐明显加快，海管总里程数不断攀升。海底油气管道输送是涉及流体水力热力耦合、流体与海底环境热力耦合的复杂多重耦合问题。采用数值模拟方法研究海底油气管道的散热问题时，需依次解决数学建模、数值求解等问题。与陆地管道相比，海床与底层海水对流换热是海底管道的最大特征。确定合理的底层海水/海床对流换热边界表征方法既能凸显海底管道的散热特征，也是建立海管数学模型的重要组成和必要步骤。根据热力影响区模型，求解埋地管道散热问题时，其土壤散热计算区域可化简为矩形或圆形的二维空间。确定边界条件是数学建模时的重要步骤。底层海水/海床边界是热力影响区的上部边界。海底土壤与底层海水的热交换形式可视为流体外掠无限大平面导致的对流换热，其换热强度受海水温度、流速等因素影响，决定了海底土壤向海水的散热速率，间接影响管道散热速率以及海底土壤中的温度场分布。

国内外学者针对海底管道散热问题开展了大量实验研究。我国吴国忠、齐晗兵、杨显志等学者针对渤海底层流速(0.5～1m/s)研究后认为，其对海底管道的传热影响不大。从国内外发表的数值模拟方面文献亦可看出，建立海底管道散热数学模型时，针对底层海水/海床边界，除个别采用固定对流换热强度值外，大多研究采用Dirichlet边界处理，以底层海水温度定义该对流边界(如表1所示)。这些研究集中关注了流体温度和海底土壤温度场变化，却未对海水/海床换热边界进行深入分析。

表1部分研究中底层海水/海床换热边界处理方法