1.2 海底水平输油管道保温概述 

目前，我国已建成的海底石油运输管道已经达到一个相当大的规模。如何有 效地保温防腐保证原油高效稳定的传输已经是一个值得深入研究的课题。就目前 对于海底管道保温的研究而言，保温材料以及保温结构的研究是大家关注的一个 热点。现阶段保温材料主要有聚氨酯类材料、环氧树脂类材料和聚氨酯类材料。 对于保温结构的研究而言，目前的主流保温结构有管中管保温结构、单层配重保 温结构以及集束管保温结构[5]。多种材料以及结构的利用旨在尽量减少管内流动 的石油与管外海水的换热，保证管内石油能够高效顺畅地流过管道，减少能量的 损失。 

1.3 本文研究内容 

在研究海底输油管道的保温问题中，现阶段很多研究集中于管道保温层的防 腐、保温以及结构分析。但是本文旨在模拟海底输油管道与周围海水换热时的压 力场、温度场等。通过数值模拟的方法对比选择出最佳的管道布置方式。通过改 变保温层厚度进行数值模拟，研究加上不同厚度保温层之后管道的保温效果的一 个变化。最后，通过管道在不同布置情况下对海水换热时的总热流量的变化选择 出最佳保温结构以及保温厚度。 

第二章 数值模拟原理

2.1 现象及定义描述 

在自然界中，自然对流换热是一个很普遍的现象。在很多的自然对流换热实 例中，流体的流动往往是因为流体的密度差所引起的[6]。而流体不同流层的温度 差又是引起流体密度差的主要原因。在本文中着重研究的是水平管道与周围流体 的热交换其中自然对流便是换热的主要组成。 

图 2-1 壁面流体受力分析图[7] 

在自然对流问题中，本文将选取一个微元研究自然对流表面流体受力情况。 其微元体主要受质量力、表面压力、表面切应力影响。具体受力情况如图 2-1 简化所示[8]，由此可以很好的看出，在自然对流问题中，流体的流动与能量的交 换是紧密联系在一起不可分割的。这点也是流体自然对流中的难点。 

2.2 自然对流流态判断 

在自然对流的流体流动形成过程中，也存在类似于管道流体流动也存在层流 和湍流的运动影响。在自然对流传热研究中，由层流向紊流流态的过渡十分值得 我们注意。根据大学所学习的知识，我们可以很清楚地知道在一般流动过程中， 雷诺数是我们判断流体流态的重要依据。然而，不同于管道等流动，类似于本文 的大空间自然对流的研究中，雷诺数不再是判断流态的依据。此时，我们就需要 认识到一个新的无量纲数——瑞利数 Ra[9]。 在此公式中，g