海底管线冲刷的理论研究

对海底管线的冲刷原理进行研究,通过对裸置于海床表面的管线下部的泥沙颗粒进行力学分析,导出了管线冲刷起动的临界条件。并且通过对管线冲刷达到平衡状态时冲刷坑内流速和泥沙颗粒进行分析,推导出了冲刷达到平衡时冲刷坑底部的冲止流速和最大冲刷坑深度。研究结果对于预测裸置于海床表面的海底管线的冲刷起动和平衡冲刷深度提供了一定的理论参考。     

波流作用下海床稳定性和海底管道局部冲刷分析

针对深水油气开采中的海底管道安全铺设与运营问题,总结和归纳了可用于海床稳定性分析及管道周围局部冲刷预测的方法,并推导了水流作用下平衡冲深和悬跨长度间的关系式.在此基础上,利用Fortran和Visual Basic混合编程技术开发了专用分析程序.结合我国南海某工程海域的实际工程问题,对水流、波浪和波流共同作用下的天然底床稳定性进行了分析,同时给出了管道铺设以后,其局部冲刷的垂向极限平衡深度、横向扩展速率以及初级和次级横向扩展的转折点时刻等.结果表明：水流因素对深水区的底床稳定性起主要决定作用;同时若底床泥沙颗粒粒径越小,则其所起的黏性作用就越大,管道冲刷扩展速度越小.该分析结果为实际海底管道路由设计及工程施工方案的制定提供了技术依据.     

海洋立管系统严重段塞流研究进展

随着海洋石油工业的日益发展,出现了各种各样的立管。由于管道形状和海底复杂地形等因素,经常出现严重段塞流这种特殊的流型,这种特殊的流型会造成设备损坏和产量降低等诸多危害。因此,对海洋立管系统的严重段塞流进行研究有很重要的意义。总结了立管系统严重段塞流的国内外研究现状,包括研究方法、产生机理、特性参数和理论模型等,以期为进一步研究立管系统严重段塞流提供参考。     

波流共同作用下正斜桩局部冲刷试验研究

随着大规模开发和利用海洋资源的兴起,斜桩基础凭借良好的水平承载力特性在跨海大桥、海上平台、高桩码头等海洋结构物中得到了应用广泛。在波流强烈的非线性作用下,斜桩附近会发生严重的局部冲刷,降低结构物的安全性甚至会导致破坏。为了解不同波高、流速条件下,倾斜角度对正斜桩冲刷特性的影响,并对比与垂直桩冲刷特性的差异,在波流水槽中开展波流共同作用和纯流作用下的局部冲刷试验。通过对α=0°、10°、20°、30°的正斜桩进行试验,研究了倾斜角度对冲刷历时、相对时间尺度及冲刷坑形态的影响,开展了无量纲参数Fr、KC、Ucw对正斜桩最大冲刷深度的影响分析,并与前人的垂直桩数据进行详细对比。结果表明：当桩向下游倾斜时,倾斜角度对于波流共同作用下斜桩冲刷特性有着重要的影响。与垂直桩相比,随着倾斜角度的增加,正斜桩冲刷深度发展速率、冲刷坑尺度及深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大;对于20°正斜桩,最大冲刷深度点由侧前方转移至正前方的时间约为60min,远大于垂直桩;正斜桩沙丘沿中轴线对称分布、呈双峰结构,且冲刷坑形态与垂直桩明显不同;动床条件下,床面形成规则的沙波,冲刷坑尺度进一步减小,双峰更加明显,冲刷历时曲线出现小范围波动;正斜桩相对冲刷深度为无量纲参数Fr、KC、Ucw的函数,与垂直桩拟合曲线的趋势保持一致。     

侧扫声呐在海底管道路由调查中的应用

在复杂的海洋环境中,海底管道局部悬空和周围土层的冲刷是影响管道安全的重要因素。本文针对某海域海底输油管道的安全状态问题,利用侧扫声呐对管道在役状态及管道区海底地形、地貌特征开展了探测工作;结合管道区水动力条件和海底沉积物工程性质,分析了未冲刷海底、局部冲刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露悬空时的侧扫声呐图像特征。结果表明,声强度对各种异常海底都有明显的反映,当海底未冲刷时,声波强度很弱,图像中呈现出亮色区域;当声波强度增强时,为局部冲刷海底,图像表现为深暗色调;当出现塌陷凹坑时,声波强度会突然很弱,甚至没有,图像中上部为深色调,下部为浅色调;而当管道局部裸露悬空时,声波强度很强,在图像中呈现黑色的深色调。同时也证实了侧扫声呐探测法在海底管道安全状态调查中是可行的、有效的。     

马鞍山长江大桥近岸桥墩对河岸稳定影响试验

水流作用产生的局部冲刷对桥墩自身安全、河岸稳定有重要影响.在桥墩局部冲刷和近岸岸坡相对不稳定性的共同作用下,近岸桥墩附近河床变形趋势更具复杂性,对河岸稳定影响更加直接.以马鞍山长江大桥左汊近岸桥墩为研究对象,分别建立桥址断面概化模型和岸坡概化模型,通过不同流量条件下水槽模型试验,研究近岸桥墩附近水流形态、最大冲刷深度、最大冲刷坑形态以及岸线变化的情况,分析近岸桥墩引起的绕流顶冲、水面涌波、局部冲刷、冲刷不对称对河岸稳定的影响,从利于河岸稳定角度提出近岸桥墩布置一般原则,为近岸桥墩选址、桥墩选型和岸坡防护设计提供参考.     

导流板对海底管线防护功能的试验研究

提出一种防止海底管线冲刷的新方法.海底管线底部安装柔性导流板来改变周边流场及压力分布,减小管线两侧的压力差,达到减小甚至阻止管线冲刷的目的.通过理论分析和物理模型试验对单向流和往复流作用下安装柔性导流板、刚性导流板(spoiler)和无导流板的海底管线表面压力分布、管线两侧的压力差和底部的冲刷进行了比较分析.结果表明刚性导流板使管线两侧的压力差增大,冲刷深度和范围都踢显增大,并且使管线受到向下的压力,在砂质海床条件下可以实现管线的自埋.但是对于礁石性海床(礁石对管线形成部分管跨支撑)上铺设的管线容易因部分悬空而发生疲劳破坏.单向柔性导流板使管线两侧的压力差减小,冲刷深度减小,并且使管线受到的升力增大,对保持管线稳定有一定的防护作用;双向柔性导流板对管线防护效果更好,导流板达到一定长度后管线两侧压力差接近于0,管线底部冲刷基本消失,实现了对管线有效的防护.     

API X65钢深水顶端张紧立管动力响应数值仿真研究

顶端张紧立管广泛用于深水海洋平台之中,所处海洋环境非常复杂而容易产生疲劳损伤,因此动力响应研究非常重要。在ABAQUS中建立了张力腿平台顶端张紧立管模型,水深设为1 500m、海域为南中国海。采用海洋工程模块AQUA进行了波浪和海流加载,获得了沿立管轴向的不同位置节点的应力时间曲线。数值计算表明,由于海平面附近的立管受到波浪和海流的作用,最大应力出现在海平面下4m处,该位置为最危险点。     

斜向波作用下斜坡海床上管线三维冲刷特性

海底斜坡的存在必然改变波浪对管线及海床的作用特性,进而影响管线三维冲刷。为了研究斜坡上海底管线三维冲刷特性,本文基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.22 mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的1∶15斜坡,通过测量近岸波高变化和管线下方最大冲刷坑深度的差异,分析波高和周期对最大冲刷坑深度、范围的影响。结果表明:管道的存在加剧了水体紊动程度,对海床演变影响很大;波高增大时,沙纹自左向右、自近岸向深海发展,且尺度加大,管道沿程冲刷深度右侧大于左侧;周期增大时,沙纹尺度增加且较为规整,管底的最大冲刷坑深度加大,形成管后淤积,但对左右侧冲刷深度变化影响不大。     

含立管段的管道气顶排空实验研究

对含立管段的管道进行气顶排空实验研究,以空气和水为介质,利用高速摄像仪和数据采集仪对排空过程的气液流动参数进行测量,发现气顶排空过程类似于立管混输系统中严重段塞流的流动过程。对比了不同排气压力下立管出口气液混合物的流型、立管底部压力和立管压降变化特性。结果表明,排气压力较小时,立管出口气液混合物流型为分层流和段塞流;排气压力较大时,仅呈分层流。排气压力越大,气体前锋的运动速度越快,排空经历的时间越短;气体前锋表现出脱离上壁面的趋势,其尖端更加趋近于管道的中心线,气鼻后方液层坡度越大。管底压力变化经历三个过程,分别对应了立管中液体流出、液气喷发、液体震荡三个阶段。随着排气压力升高,立管底部压力增加幅度增大,对应的压力峰值增大,立管压降的开始下降时间缩短,下降速度增大。     

台州湾大桥桥墩处局部冲刷试验研究

台州湾大桥位于椒江河口,桥墩结构及河口水域水动力条件复杂。为科学预测桥墩周围冲刷坑范围、形态和最大局部冲刷深度,开展了设计洪水、设计潮水条件下桥墩处局部冲刷水槽物理模型试验研究。通过冲刷公式估算和类似实测资料分析验证表明,试验中预测的桥墩处的冲刷坑范围和深度合理。此结果可为实际工程的设计及运行提供技术支撑。     

海洋立管焊接接头的断裂参量J积分研究

针对深水海洋立管的特点,采用弹塑性有限元计算方法,对裂纹深度、长度、管道径厚比等因素对海洋立管断裂参量J积分的影响进行了研究,并在此基础上分析不同焊接接头组配在加载过程中的断裂性能。结果表明,焊接接头J积分值与全母材是有所差异的。因此,在海洋立管焊接结构安全评定中,除考虑不同裂纹深度、长度、管道径厚比对海洋立管的影响外,还必须考虑焊缝组配对焊接接头断裂参量的影响。     

正挑桩式丁坝壅水特性及其冲刷深度计算模式理论

作为一种新型河工建筑物,桩式丁坝对水流及河床的影响亟需可靠的定量研究。为此,在前人研究的基础上,结合室内试验,分析了正挑桩式丁坝区域水流特性及其冲坑特征。采用叠加水头损失的方法并以此建立能量方程式,得出桩式丁坝壅水高度的计算公式。在此基础上,通过进一步理论分析,结合试验验证,对桩式丁坝局部冲刷深度进行了探讨。首先建立了坝头水流叠加模式,进而得出了坝轴断面的流速分布式,并推导出了正挑桩式丁坝局部最大冲刷深度的理论计算公式。所建立的壅水高度和最大冲刷深度计算公式具有清晰的数学模式和明确的物理意义,并得到了室内试验的验证,可为工程设计提供技术依据。     

桩基三维非对称局部冲刷坑条件下土体应力计算简化模型

桥梁桩基周围形成局部冲刷坑时会导致桩基有效埋深减小，增大工程结构的安全隐患。目前研究的冲刷坑模型多为对称形态，而工程实际中的冲刷坑多为非对称形态，使得桩基处于更不利状态。合理计算桩周形成非对称冲刷坑后土体的应力变化是评价桩基承载力的关键之一，目前尚没有严格的理论计算方法。针对该问题，根据试验实测的非对称冲刷坑形态提出了三维非对称冲刷坑的简化模型。将冲刷坑最大深度以上土体重度看做荷载并基于Boussinesq点荷载方程在半无限空间中的应用，推导得到了非对称局部冲刷坑内土体垂直及水平有效应力计算方法。采用有限元中“生死单元法”模拟了半无限空间地基中冲刷坑的形成，并将有限元计算结果与理论计算方法所得结果进行对比，验证了理论计算方法的正确性。基于理论计算方法考虑了冲刷坑内存在桩基的影响，并与有限元计算结果进行了对比，对比结果表明了理论计算方法的可行性。在此基础上，设计了一系列工况，对三维非对称冲刷坑简化模型中的参数进行了敏感性分析，得到了非对称冲刷坑条件下桩周土体的垂直及水平有效应力差的变化规律。     

圆柱桥墩局部冲刷安全防护方法研究

针对当前桥梁服役环境复杂、受冲刷影响大和防护成本高等问题,基于 Ｆｌｏｗ－３Ｄ 软件的水动 力学分析对圆柱形桥墩局部冲刷安全防护方法进行数值模拟研究。参考 Ｍｅｌｖｉｌｌｅ经典水槽实验, 利用标准ｋ—ε湍流模型和大涡湍流模型求解圆柱形桥墩墩周水流流态与河床局部冲刷形态变化, 并进一步运用大涡湍流模型,考虑牺牲桩桩径、桩心距以及牺牲桩与护圈共同作用对桥梁最大冲刷 深度的影响,建立了结合局部冲刷安全防护的圆柱形桥墩冲刷数值模型。实验结果表明：在给定的 网格划分条件下,大涡湍流模型相较标准ｋ—ε湍流模型计算精度高;牺牲桩的桩径以及桩心距都 会影响桥梁最大冲刷深度,在所选取的工况条件下,牺牲桩桩径为０．２５Ｄ,桩心距为 Ｄ 时冲刷深度 最小;牺牲桩在与护圈共同作用时能够进一步减少桥梁最大冲刷深度。     

海洋立管系统严重段塞流瞬态数值模拟

针对海底油气混输管线中常见的立管系统,采用OLGA 多相流瞬态模拟软件,对立管系统中出现的严重段塞流进行了数值模拟。根据实际情况,建立基于双流体模型的物理模型,结合海底管道实际工况,设置相应边界条件,分析了不同流量下的流态流型、压力、持液率等参数随时间的变化特性。研究结果表明,在不同流量产生的严重段塞流下,立管系统中流态流型、压力、持液率等特性参数具有明显的周期性变化规律,流量对严重段塞流的形成及其流动参数影响很大。研究结果对实际生产和管路结构优化具有指导意义,可为复杂流动现象的预测和控制提供一种新的手段。     

细沙多河流桥墩附近冲刷及其模拟

本文根据细沙多河流的原型河床边界条件,通过物理概化模型试验,较系统地研究了细沙河床桥墩附近水位变化、冲刷过程及冲刷坑形态等问题后,发现当局部冲刷停止时,床沙中径相应变粗1.5——2.5倍,而且实验曲线进一步反映了桥墩冲深随行进流速增加而加大的变化趋势。此外文中还对多沙细沙河流工程附近的局部河床冲刷的试验模拟充法进行了深入探讨,并对有关计算公式进行了检验与分析。     

非恒定流作用下丁坝局部冲刷研究

丁坝水毁受多种因素的影响,通过水槽概化模型试验,在天然河流日均流量过程作用下,分别对比了相同重现期时年最大洪峰流量和有效洪水周期遭遇、年最大洪峰流量和半月最大洪水总量遭遇丁坝局部冲刷的程度,指出洪峰流量对冲刷深度起主导作用,洪水总量对坝头冲刷坑范围起主导作用,有效洪水周期对冲刷坑范围及冲刷深度均起其主导作用,并对非恒定流作用下坝头冲刷坑的发展过程进行了分析。     

闸孔出流水流特性数值模拟

闸门是一种控制水位和流量的建筑物,其出流特性与出流计算是工程水力学中颇为关注的问题.对淹没出流条件下冲刷坑形成过程中,闸孔出流的泄流能力、冲刷坑内水流流态及机械能的变化尚未开展研究,通过数值模拟对此进行了探讨,得到如下成果:1)在闸孔出流过程中,伴随着河床底部边界的变形及水跃的调整,过闸流量有变化但变化很小;2)在闸孔出流过程中,冲刷坑内的回流形态不断调整,重汇点位置也从冲刷坑形成初期的最大冲深位置下游不断回缩,直至与最大冲深位置相当;3)在闸孔出流过程中,伴随着河床底部冲刷的发展,闸门下游急变流段水流运动的总机械能损失是朝着减小的方向调整的,且机械能损失系数随冲刷时间不断减小趋于某一定值.     

海洋立管涡激振动位移响应测试方法及试验研究

海洋立管涡激振动会使立管产生疲劳破坏.实时监测应变并通过应变数据转化为立管的位移,从而可直观、准确地判断海洋立管的状态,预知可能发生破坏的位置并采取应对措施.建立了数学模型,通过理论分析立管的挠度曲率与应变、位移存在的关系,进而拟合立管的挠度曲线.基于挠度曲线的边界条件以及广义最小二乘法确定挠度曲线未知数的求解方法.设计试验方案,搭建试验平台,通过光纤光栅应变传感器及解调仪获得试验数据,求解挠度曲线.并通过试验过程中位移的测量值来验证位移计算值的正确性及可行性,试验结果表明:位移的计算值精度能够满足工程上的要求,该方法可作为检测立管涡激振动的一种方法.