海底管线周围三维水动力特性及冲淤演变研究

发布时间：2018-11-01 12:47

【摘要】：直铺于海床表面的海底管线,在水流、波浪长期作用下易造成冲刷悬空,冲刷已成为管线失事的主要原因之一。探索管线周围水动力特性及其床面演变规律已成为保障管线稳定运行的重要课题。本文通过概化水槽定、动床实验,利用高精度流速剖面仪(ADCP)和三维地形仪,对不同作用角的水流、波浪或波流耦合作用下管线周围流速剖面和三维地形进行精细测量,并基于N-S方程,耦合DES紊流模型建立了三维水动力数值模型,研究了管线周围的三维水动力特性及其局部三维冲淤演变规律,得到以下主要结论：研究了不同作用角的水流、波浪或波流耦合作用下,管线周围的水流结构和紊动特性,探讨了水流的涡动结构演化特征,揭示作用角对管线周围水动力特性的变化规律。在水流作用下,管前上表面水流分离向上形成较强的剪切流,引发管后大尾涡周期性发展并脱落；管线前后近床面形成较小的漩涡结构顺管轴螺旋流动,管后水流紊动强度明显大于管前,且管壁附近紊动强度最大；水流垂线剖面流速分布和紊动动能分布均呈分层特性。波浪作用下,管线前后水流呈现振荡,管线表面水流分离产生的尾涡交替出现于管线前后,前半周期底部流速方向与传播方向相同,后半周期两者方向相反,但流速值均先增后减。波流耦合作用下,管前与水流变化类似,管后水流呈现不规则的周期性变化；法向流速和轴向流速在各相位间出现混叠现象。研究了不同间隙比e/D和KC数情况下管线周围水动力结构,分析了间隙比和KC数对管线水动力特性的影响规律。随着作用角的增大,管前涡流范围逐步缩小至管线附近,管后涡流范围逐步向下游延伸,且管后涡漩尺度、回流范围与尾涡紊动区域逐步增加,尾涡中心逐步远离管线,同时,轴向水流逐渐减弱；水流作用下,间隙比影响管后尾涡的产生、脱落及涡旋尺度大小,0e/D0.3时尾涡脱落频率随e/D的减小而增大,e/D0.3时管后尾涡形态变化不明显。波浪作用下,KC数影响明显,当KC较小时,管线周围的水流不易分离,涡漩不易脱落；随着KC数的增加,管线前后的轴向流速和近底流速均增大,水质点运动范围扩大,管线两侧形成较长的涡街、伴随涡脱落现象。阐述了水流或波浪作用下管线局部冲刷的动力机制,得到了不同动力条件下的冲淤形态特征。不同水动力条件下海底管线附近床面冲淤过程基本一致,但形态各异,呈现冲刷起动、快速扩展和冲刷平衡等三个阶段。但不同水动力条件下管线局部冲淤形态各异：水流作用下管底冲刷、管后淤积；波浪作用下管底冲刷、两侧对称淤积；波流耦合作用下管底向下游发展为不对称冲刷坑,且波流耦合作用下的最大冲深大于单纯水流与波浪作用的线性叠加。随着作用角的增加,冲刷平衡深度的位置逐渐后移,且最大平衡冲刷深度和宽度随之增大。采用量纲分析方法,明确了管线局部冲刷平衡深度影响因素,建立了更为全面的水流及波浪作用下冲刷平衡深度经验公式,并采用国内外其他相近实验进行了验证,经验公式与实验结果吻合较好。在此基础上,研究了各因素对冲刷平衡深度的影响,在水流作用下,冲刷平衡深度随水流作用角、弗劳德数的增大而增加,随间隙比e/D、泥沙中值粒径d50的增加而减小。在波浪作用下,冲刷平衡深度随波浪作用角、KC数的增大而增大,随间隙比e/D的增加而减小。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P731.2;P756.2

【引证文献】