海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述

海底管线局部冲刷的数值模拟研究已经有30 a的历史.文章描述了海底管线局部冲刷的机理,回顾了国内外对于管线冲刷问题数值模型研究的情况,根据不同模型进行了分类描述,并进行了简单的比较,为该领域的进一步研究提供参考.     

海底管线冲刷悬空及其抑制技术研究综述

海底管线作为海洋工程的重要组成部分,其安全性受到广泛关注。本文简单回顾了国内外学者通过物理实验、理论分析与数值模拟等方法研究海底管线冲刷悬空及防护问题的成果,并对工程中应用较广泛的防护方法的优缺点进行了简单对比,为该领域的进一步研究提供参考。     

推进波作用下海底管线周围局部冲刷试验研究

考虑行波作用下的海底管线的局部冲刷问题。采用波浪水槽模型试验的方法,研究波浪荷载引起的管线周围局部冲刷机理和冲刷形态,探讨行波作用下管线周围局部冲刷的演化规律,包括冲刷起动、水土界面沙波的形成以及平衡冲刷深度与KC数(keulegan-carpenter number)和相对埋置深度的关系。     

海底输油管道底砂床冲刷机理研究

设计了海底输油管道水槽冲刷试验模型,研究了海底输油管道与砂床处于不同相对位置情况下床砂起动流速的变化,采用理想流体映射定理对其进行了理论分析,探讨起动流速变化规律。结合有限元数值模拟对试验进行细化分析,研究了海底管道底砂床砂粒起动的产生机理,根据研究结果将冲刷过程划分为五个阶段。阐明了海底管道暴露冲刷的危害性和实时监测的重要性。     

往复流作用下海底管道局部冲刷机制数值模拟

基于开源的计算流体力学模式REEF3D,建立了海底管道局部冲刷水槽数值模型,在验证单向流实验结果的基础上,进一步对往复流作用下的海底管道局部冲刷机制进行了研究,并作对比分析。研究表明,总体上往复流对管道所在海床的局部冲刷规模比单向流弱。当流向改变后,原先下游的堆积区转变成上游,优先受到冲刷,并填充到管道下方的冲刷坑,同时使水流在管道下方的作用减弱。这种回填过程使短周期下的往复流作用需要更长的冲淤平衡时间。在回填与冲刷的共同作用下,上下游的冲刷坑坡度会因流向变化而变化。     

埕北海域海底管线冲刷稳定性研究

根据埕北海域水下三角洲的工程地质条件和水动力条件,分析海底管线在两种铺设方式情况下的冲刷稳定性。第一种为埋置在一定土层深度处的管线：根据整个埕北海域海底长期冲淤变化规律,利用１９９２～１９９６ 年的实测水深资料得出的冲刷速率,推算出管线被冲出泥面所需的时间。第二种为裸露在海底的管线：根据海流对管线周围沉积物产生冲刷效应,冲刷达到一定程度时处于平衡状态,认为此状态下,海流在该点产生的剪切力等于形成可冲蚀海床沉积物的临界牵引力,据此计算出在管线周围冲刷的最大深度     

泥沙突变理论在海底管线冲刷中应用

基于泥沙突变理论,针对海底管线冲刷下泥沙的运动特征,建立恒定流作用下的泥沙起动模式,确定希尔兹数、无量纲参数、冲刷坑深度之间相互作用的非线性方程,推导了恒定流作用下海底管线冲刷坑深度的预测公式。将相同条件下该公式的计算结果与前人的试验资料进行了对比,可发现尽管计算结果存在一定的误差,但也基本能满足对冲刷坑深度的预测和判断,从而证明了泥沙突变模型在预测海底管线冲刷坑深度中的适用性。     

杭州湾南部海域背景冲刷对海底管线安全性影响分析

海底管线的出露和悬空会其的安全性造成很大程度的影响,而背景冲刷又是导致海管出露和悬空的主要因素,因此对背景冲刷尤其是强潮海域背景冲刷的研究显得极为重要。本文根据2018年7月—8月在杭州湾南部宁波镇海和舟山马目之间海域所采集的多波束测深、侧扫声呐和浅地层剖面探测等数据资料,研究了海域的水深地形特征和海域内4条海底管道的埋藏现状,通过对比2006年和2012年的水深数据,分析了杭州湾南部海域背景冲刷现状,并通过对冲刷过程的研究,分析了影响海底管线安全性的几个主要因素。研究表明:研究区内4条海底管道均有不同程度的出露,海域背景冲刷在2006—2018年的12年间发生了很大变化,西南部大片浅滩区域背景冲刷由淤积状态变为强冲刷状态,这与潮流的流速流向以及沉积物供应的改变有关,强背景冲刷会加速海底管道的出露和悬空,严重影响海底管道的安全性,同时,从长期来看,在强背景冲刷海域,填土回埋并不是解决问题的有效方法。     

透空导流板对海底管线冲刷防护的试验研究

基于海底管线周围流场复杂,管线运行过程中易于出现冲刷悬空破坏等诸多特征。本文根据导流板作用下海底管线的冲刷防护机理,提出了一种透空导流板与海底管线结合的防冲刷措施。通过量纲分析得到了影响海底管线冲刷深度的无量纲公式,并通过物理模型试验,研究了单向流作用时,不同流速、不同管孔比、不同透水比的工况下透空导流板对海底管线的冲刷防护的影响。研究发现,由于透空导流板的存在,泥沙受到的推移力减小,导致泥沙淤积,海底管线的冲坑深度小于无导流板防护的冲坑深度,透空导流板防护的管线最大冲刷深度在管轴线前0.3 D处,且在管线下方冲刷坑深度明显减小。基于试验资料分析,拟合得到了平衡冲刷深度的计算公式,其公式与实测资料拟合较好,说明该公式具有较好的适用性。     

混凝土联锁排应用于海底管线冲刷防护试验研究

海底管道冲刷防护是海管研究的热点之一,混凝土联锁排具有整体性好、易于机械化施工等优点在保滩护底工程中得到广泛应用。在易受意外荷载作用的近海冲刷区域,将"混凝土联锁排+土工布"防护型式引入海底管道冲刷防护中,针对裸露或悬空海底管线,探讨混凝土联锁块的防护机理,开展室内水槽试验,选取不同水深工况对比冲刷防护效果并验证了土工布的反滤防护作用,经过分析对比表明"混凝土连锁排+土工布"防护型式适用于海底管线的防护。     

海流作用下海底管道局部冲刷数值分析

在任意拉格朗日-欧拉参考坐标系下,采用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程组(RANS)、流线迎风有限元方法、泥沙输运模型以及底床变形方程,对海流引起的海底管道局部冲刷进行了数值模拟。着重讨论了均匀来流流速和海底管道直径对局部冲刷发展过程及平衡冲刷深度的影响作用。数值结果表明,在冲刷的初始阶段,冲刷深度随时间迅速增加,之后缓慢逼近极限平衡深度;在管径一定的情况下,管道附近的局部平衡冲刷深度与流速大致呈线性关系;当流速超过某一临界区域后,最大平衡冲刷深度出现的位置并不在管道正下方,而是随流速的增加向管道下游方向移动;另外,管道直径也会对平衡冲刷深度产生比较明显的影响,在相同流速下,平衡冲刷深度大致随管径呈线性增大。在本文的计算范围内,海底管道的相对局部平衡冲刷深度基本随雷诺数线性增加,但流速对冲刷深度的影响作用要比管径的影响作用更为明显。     

Mechanism of local scour around submarine pipelines based on numerical simulation of turbulence model

1 IntroductionSubmarine pipelines are important ocean engi-neeringequipm ents, especiallyfortheoiland gasin-dustries. M anyresearchershavebeendedicatedtotheproblem of local scour around the submarinepipelines, butmostoftheirwork arelaboratory testsand foc…     

应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟

采用SIMPLEC算法的有限体积法,求解非定常流动的N-S方程,采用k-ω紊流模型,通过模拟均匀无粘性推移质的冲刷和淤积,得到海底管道由搁置在海床上的状态变为悬跨状态这一过程的管道周围局部海床冲刷情况,建立了海底管道局部冲刷的二维数值模型。海底管道从搁置在底床上到冲刷悬空的过程中,管道周围的空间产生了拓扑变化,这给采用贴体网格并在计算过程中进行网格重构的传统方法带来了很大困难,而采用切割单元法,把物体轮廓从静止的背景直角坐标结构化网格中切割出去,计算过程中不需要传统意义的网格重构过程。数值模型预测的海底管道周围局部冲刷结果与Mao的物理模型实验实测结果及Liang和Cheng等的数值模拟结果符合较好,验证了模型的准确性。     

Erosion mechanism of local scour around cushioned caisson on reinforced ground

The scour behavior of cushioned caisson constructed on reinforced ground, which is used to support superstructure constructed in deep water in seismic zones, was investigated by experimental and numerical methods. Flume tests under nine different flow velocities between 18 and 48?cm/s were performed based on hydraulic similarity design. Complementary numerical simulations were also conducted for the flow velocities ranging from 16 to 46?cm/s. Five typical working modes of the foundation under erosion, namely, ideal working, well working, edge failure, shear failure, and total failure, are analyzed together with their potential impacts on seismic-designed foundation. The critical shear stress, local flow structures, and streamlines were used as the key factors to analyze the change of bed materials and the scour characteristics. Fluid–solid interaction model was built by computational fluid dynamics with sediment transport model, and k–ε turbulent model has been implemented to describe the turbulence in the fluid phase typical of scour process. The mechanisms of two possible failure models for the foundation layer elements were identified, based on which recommendations were provided for scour protection to ensure the integrity and performance of seismic-designed foundations. The integrated computational model and model experiments also demonstrate a framework to understand the local scour mechanism for the cushioned caisson on reinforced ground.     

砂质海床上海底管线的斜向波浪力试验研究

近岸海底管线在波浪作用下的受力情况关系着海底管线的安全运营。本文利用波浪港池物理模型试验,研究了斜向规则波作用下海底管线断面和管线沿程波浪力特性,分析了波浪入射方向与管线轴线夹角α及波浪要素对海底管线所受波浪力的影响,探讨了管线冲刷与所受波浪力之间的关系。试验结果表明:管线水平力在α=60°时达到最大,而上升力在α=45°时达到最大,并且从力的大小来看水平力比上升力大。随着角度增大,管线压力沿程变化幅度先增大再减小,α在60°时管线上游端压力最大;在45°时管线压力沿程变化呈波浪型,从上游往下游增减交替变化。随着冲刷的发展,管线下方受力最大值逐渐增大,管线前后方压力差值也逐渐增大。     

斜向波作用下斜坡海床上管线三维冲刷不均衡性研究

由于海床起伏不平,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。基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.22mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的斜坡,研究斜向波作用下斜坡上海底管线的三维冲刷特性。通过测量管线下方冲刷坑宽度和深度的差异,分析管线三维冲刷的不均衡性。实验表明:管线的存在使斜坡上的波高有所降低;斜向波作用下管线三维冲刷的不均衡性表现为深度不均衡性和宽度不均衡性,宽度不均衡性主要是管后淤积泥沙的后移引起的,周期对三维冲刷不均衡性的影响比波高对其的影响程度大;管线自深海向近岸延展时,随水深的减小,冲刷深度分为缓慢发展阶段和快速发展阶段。