潮流作用下海底管线尾流的水力特性研究

发布时间：2020-07-16 04:47

【摘要】：海底油气输送管线是海上油气开发中油气传输的主要方式，是海洋油气生产系统中一个不可缺少的重要组成部分。由于海底管线所处的海洋动力环境非常恶劣，许多不确定因素的相互影响使得海底管线的铺设和运营风险俱增，因冲蚀悬空而造成破坏的报道一直层出不穷。随着我国深海油气资源的不断开发,海底管线在海洋工程中的应用越来越广泛，因此海洋动力作用下海底管线防护问题也越来越引起广大海洋工程技术人员的广泛关注。 本文通过分析管线绕流机理，将单向流作用下管线后侧回流区沿水深分为3个流区(底层的负流区、中层的自由剪切层区以及上层的核心区)。针对剪切层区的水流特征，利用射流分析的类似方法，适当的简化控制方程，从理论上探讨了剪切层区的时均速度分布规律。根据动量守恒，推导了管线后侧回流区长度公式。分析了流经管线水流的水面线变化情况。 通过物理模型试验，采用Vectrino三维点式流速测量系统，对单向流作用下无导流板以及顶部安装导流板的海底管线周边流场进行了系统的试验观测。以试验资料为基础，讨论了流场流速、紊动强度以及压力变化趋势，并对回流尺度进行了分析，将试验结果与理论计算结果相对比，吻合良好。 在理论和试验研究的基础上，对管线周围流场、压力场进行了垂向二维的数值模拟。计算结果与试验结果吻合良好。 本文的研究为进一步探讨海底管线冲刷机理及其防护技术奠定了理论基础。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P756.2
【图文】：

图 1-1 圆柱绕流尾流随 Re 数变化的不同型态2．分离点问题探讨流体流经管线等结构物时，与结构物发生相互作用，在结构物表面边界层的点出现脱离结构物的流动，并在分离位置附近形成与主流方向相反的回流，这现象称为边界层分离现象。出现分离的位置称为分离点[4]。发生边界层分离现象的必要条件有两个：一个是受到流体黏性的影响；另一是流体处于逆压区段。在上述两条件下，分离点处，流体的动能几乎降为零时在逆压梯度作用下，流体出现回流现象，并促使边界层脱离结构物流动。刚离这部分流体在主流冲击以及压力梯度共同作用下，呈现不稳定性，形成大量尺度涡旋向下游发放。分离点位置受很多因素的影响。首先雷诺数 Re 对分离点有很大影响，相关究已经比较成熟。以绕流圆柱体为例[5]：

图 1-2 分离点位置示意图绕流结构物的形状对分离点位置影响也很大[6]。绕流时，若结构物的迎流面曲率较小，如前端是尖缘的情形，则在背流面总要发生边界层分离现象。若结构物迎流面曲率较大，绕流过程中流线变化平缓，分离点会相对靠后，或不发生分离现象。3．涡旋发放模式在研究圆柱绕流的过程中，物理学家们为了揭示圆柱绕流过程中发生的流动分离以及涡旋发生现象，建立了如下几种涡旋发放模式：剪切层模式Gerrard（1966）[7]对圆柱后尾流中的涡街形成机制做了定性描述：绕流过程中在圆柱后侧形成上、下两个分离剪切层，它们的相互作用决定了涡旋的发放。当一侧的剪切层失稳后卷成涡旋，并从最近的剪切层中获得涡量而不断增大，直

图 1-3 导流板装置结构示意图司提出了导流板（spoiler）设计方案，并进行由两部分组成：鳍和模板（见图 1-3），鳍固接。导流板用低成本高强度的材料制作而成板以后，管线周围流场以及压力场发生相应刷的深度和范围，提高管线冲刷的速度(n and Bijker, 1989[39])，加速管线的自埋[40]。的意义气田的相继开发，海底管线作为一种海洋工劣的海洋环境中，与波、流等各种因素相互

【参考文献】

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1 张兆顺,崔桂香,许春晓;走近湍流[J];力学与实践;2002年01期

2 张洪泉;混合层绕流圆柱旋涡脱落的数值研究[J];力学学报;1993年03期

3 凌国平,凌国灿;绕旋转圆柱流动涡尾流结构和临界状态特性[J];力学学报;1997年01期

4 李国斌,韩信,傅津先;非淹没丁坝下游回流长度及最大回流宽度研究[J];泥沙研究;2001年03期

5 杨元平;透水丁坝坝后回流区长度研究[J];水运工程;2005年02期

6 刘宇;苏中地;;不同雷诺数下方柱绕流的数值模拟[J];中国计量学院学报;2006年01期

7 应强，孔祥柏;淹没丁坝群壅水试验研究[J];水利水运科学研究;1995年01期

8 郭双喜;李万平;赵伟;;近壁圆柱绕流的壁面积沙现象机理分析[J];水动力学研究与进展A辑;2006年05期

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1 李国亚;有限水深横流中近壁水平圆柱绕流的实验研究[D];武汉大学;2004年

本文编号：2757540