[发明专利]一种基于复杂海洋环境的柔性管道三维数值模拟方法

说明书

本发明涉及柔性管道三维模拟技术领域，具体涉及一种基于复杂海洋环境下的柔性管道的试验系统和三维数值模拟方法，所述柔性管道的试验系统包括模型输入模块、数值仿真模块，物理模型测试模块、经验学习库模块和上位机，所述经验学习库模块包括实用实例库模块、以往计算实例库模块，所述实用实例库模块录入现有的以往海底柔性管道的使用和实测的数据。本申请将数值计算模拟方法和物理模型试验方法相结合的方式，利用两种方法相互交叉验证，从而使得数值计算和物理试验模型得到尽可能准确的结果，同时，本申请排除了数值计算由于输入初始参数不准确导致的数值计算错误，还可以防止由于尺寸效应导致物理模型试验的错误；同时，利用神经网络学习，加快数值计算的收敛速度和效率。

技术领域

本发明涉及海洋管道技术领域，具体涉及一种复杂海洋环境的柔性管道的试验系统和数值模拟方法。

背景技术

最近几十年来，世界各国对于近乎无限的能源需求与有限的化石资源储量之间的矛盾保持了足够的警惕。尤其是自上世纪70年代以来多次石油危机的爆发，引发了世界能源市场长远的结构性变化，世界各主要石油进口国开始不断积极找寻替代能源，开发节能技术。但是由于节能产品的研发和市场推广往往需要大量的时间和资金投入，而数量充沛、供给稳定的替代能源仍处于一个漫长的探寻过程之中，目前全世界对于化石能源过度依赖的状况在可预见的未来内仍难以从根本上得到改变。

为了获得更多得到石油，人们的眼光瞄准了海洋石油，并且正在进行大规模的海洋石油开采。随着海洋油气资源的大规模开采，海底管线得到了大量的应用。现阶段铺设的管线结构分为单管结构和管束结构，其中子母管结构作为管束结构的一种也得到了大量实际应用。

而在管系铺设中和使用中，管系会受到海洋波浪、洋流等影响，导致管系运动，这可能导致管系移位或者受到牵拉力过大，或者局部变形，轻者导致期望使用寿命变短，重者甚至会导致管系断裂，发生严重的泄露事故。因此，在管系布设前对管系进行数值模拟就显得非常重要。目前对海底输送油气的管系并没有进行系统而有效的模拟，或者在进行数值模拟之后，仅是进行一个模型试验验证后，并无一个数值模拟和模型试验的有效联合验证方法，所以更多时候，仅是利用数值模拟进行数值计算，并进行研究，而模型试验更多仅是对优化后的一个方案进行验证的手段，而在模型试验验证不能满足使用条件时，则重新进行优化，或者调整相应的参数，再重新进行模拟计算、模型试验，这样进行优化设计的方法存在一个弊端，那就是模型试验的成本较高、多次模型试验的时间长，这样导致试验的时间成本和经济成本对企业来说也是一个不小的负担。况且，在进行模型试验时，由于对实际安装的管系进行了等比例的缩放，而作为流体力学一个特点，那就是会存在尺度效应，这会导致在数值模拟和模型试验时存在较大的误差，甚至产生相反或者毫无意义的结构，这对模拟计算和模型试验来说显然是十分不利的，导致计算失败。而最为准确的是做实际尺寸的模型试验，但是实际尺寸的模型，造价成本必然更高，这导致的后果就是经济成本和时间成本也更大，这对企业来说，该方法在实际使用价值来说同样不可取。

另外一方面，作为数值计算领域的本领域技术人员来说都知道，由于其数值三维模拟实质是求解复杂的微分方程的数值解，这是利用数值计算方法不断去逼近，获得最接近的近似数值解，即不断调整输入值去求最接近的解，这通常需要花费较长的时间，且由于是求解大量的方程，对计算主机的要求也比较高，即投入成本较大。而影响数值计算收敛速度快慢的一个重要因素就是初始值的选择，而这通常都是依靠计算者的经验或者设置常规的数值；但这样有一个很大的问题，一方面，这对计算者的经验要求过高，而若依据常规的数值作为初始值，则会导致收敛时间过长，浪费使用者的计算资源。如果能够提供一种快速的计算方法必然可以有效提供更加复杂的算法和提供更优秀的仿真方案。

面对上述技术问题，目前在现有技术中并无一个有效技术方案，以解决上述技术问题。为此，希望提供一个更经济、简便的对柔性管道的数值模拟手段，以便能解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于复杂海洋环境的柔性管道的试验系统，其可以进行数值计算和数值仿真，能够快速计算分析出结果，从而解决节省时间成本、提供计算效率的问题。