海底振动管道局部泥沙冲刷数值研究

发布时间：2021-06-11 23:15

　　文章基于迎风有限元方法,对流动方程和泥沙输运方程进行求解,建立起振动管道与泥沙冲刷的耦合运动模型。模型中通过SST k-ω湍流模型对湍流效应进行模拟;管道振动和海床变形引起的不确定边界通过ALE方法进行实时追踪;模型考虑了悬移质输沙率以及推移质输沙率对底床变形的影响作用。数值模型首先与其他已发表的数据进行了比较,表明文章所建立的振动管道局部冲刷程序能够对冲刷深度进行较为准确地预测。文章利用所建数值模型进一步对海底振动管道局部冲刷问题开展了数值研究。相关数值分析结果表明:相对于固定管道的情况,管道振动对局部冲刷有较大的影响作用,管道的振动使管道局部最大冲刷深度增大,管道后方冲刷范围变宽,最大冲刷深度位置后移。 

【文章来源】：水道港口. 2020,41(02)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

管道位移时间历程线

图3给出了固定管道以及振动管道平衡状态下管道局部泥沙冲刷剖面对比图。从图中可以看出,在本文的计算范围内振动管道的冲坑形态较固定管道时有较大的不同,具体体现在以下4个方面。(1)振动管道最大冲刷深度较固定管道情况下最大可高50%。

由上文的讨论可见振动管道情况下的局部泥沙冲刷较固定管道情况不同。图4给出了直径为1.0 m的固定海底管道,在1 m/s的流速下的局部冲刷平衡时,固定管道局部涡脱落情况。图4-a～4-d分别对应着固定管道所受升力最小值、零、最大值和零时刻管道局部涡脱落情况。图5给出了振动管道局部涡脱落情况。图5-a～5-d分别对应着振动管道位移最小值、零、最大值和零时刻管道局部涡脱落情况。从图4中可以看出在一个升力周期内,管道后方有一对涡脱落。并且总体上涡是沿着水流方向脱落的。尾涡的最大长度约为管道直径的2.0倍。从图5-a中可以发现,此时管道周围有正向涡A1脱落,同时存在正向涡A和负向涡B。从图5-b中可知,当管道继续向上运动时,负向涡B向下运动并变长,正向涡A从管道上脱落下来。当管道运动到位移最大处时,负向涡B分裂成涡B和涡B1。如图5-c和5-d所示,当管道向下运动到原位置时,负向涡B脱落。从而在管道后方形成由涡A1和涡B组成的一排涡以及由涡A和涡B1组成的另一排涡。在本文的计算条件下,从整体上讲,振动管道局部的涡长度较固定情况下短,这使得振动管道后方底床切应力大于固定管道的情况,进而导致振动管道后方冲刷深度较固定管道情况下深。


本文编号：3225453