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.     

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。在这种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。     

水流作用下管汇结构周围局部冲刷试验研究

水下生产系统的管汇结构是海底油气资源开采的关键设备之一,近年来得到了广泛的应用。放置在海床上的管汇改变了海床泥沙沉积物的输移能力,由此导致结构基础周围冲淤变化。如果结构物周围冲刷深度过大,将会影响结构的正常使用。为预测管汇结构在水流作用下的冲刷形态与冲刷深度,本文通过水槽物理模型试验和分析手段,对恒定流作用下水下生产系统的管汇结构周围的局部冲淤形态及形成机理进行了分析。采用声学多普勒测速仪(ADV)对结构周围流场进行了精确测量,利用测量结果分析了流速分布规律及对结构物周围局部冲刷的影响。得出影响低矮结构物周围局部冲刷的主要水流结构为结构物尖角处的水流加速,马蹄形漩涡的影响较小。对研究低矮结构物周围局部冲刷的影响因素具有重要意义。     

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。     

直立式防波堤口门区海啸局部冲刷规律实验研究

海啸作为世界上最严重的自然灾害之一,其巨大的破坏力使得近海建筑物遭受了严重的损害。基于波浪水槽实验,开展海啸波作用下不同口门距离的防波堤局部冲刷机理实验研究。实验结果表明,在海啸波越顶水流产生的水跌以及海啸波通过防波堤口门时产生的扰流共同作用下,口门中心线处产生明显的局部冲刷坑,随着口门距离的增加,防波堤局部冲刷先加剧后减弱。建立防波堤局部最大冲刷深度与海啸波波高、防波堤宽度及出水高度、口门间距的关系式,揭示了最大局部冲刷深度与海啸波波高、防波堤尺寸、口门距离的内在关系。     

波、流及其共同作用下桩墩局部冲刷问题试验研究现状

要研究波流共同作用下桩墩的基础冲刷问题,首先需要了解水流和波浪单独作用下桩墩冲刷的机理和特征。针对波、流及其共同作用下桩墩的局部冲刷问题,从流速、水深、桩径、波长、波高、相对底层流速、粒径和粒径级配等方面系统地简述了恒定流、波浪和波流作用下桩、墩局部冲刷的研究进展。根据实验资料比较了各家经典计算公式的计算结果发现我国规范65-1式计算值偏大,65-2式计算值偏小等结论。桩墩局部冲刷是一个复杂的过程,今后可以针对淤泥质海岸底床、粉沙质海岸底床、复杂桩群结构、物理模型比尺效应、非恒定水动力条件、复杂基础形式方面对波流作用下基础冲刷的最大冲刷深度、冲刷过程、冲刷范围进行研究,以弥补桩墩局部冲刷在这些方面的不足。     

波浪作用下大尺径圆柱周围局部冲刷

通过系列模型试验，对波浪作用下墩柱周围局部冲刷地形及其形成机理进行了分析，认为最大冲刷深度发生在墩柱前方，与防波堤前冲淤形态类似，分为细沙型和粗沙型。在对各影响因子分析基础上，提出墩柱周围最大冲刷深度计算公式，试验资料表明，该公式与试验值有着良好的一致性。     

金塘大桥桥墩附近的海床冲刷

东起舟山市金塘岛的沥港镇,跨越灰鳖洋,西至宁波市镇海区新泓口的金塘大桥,为舟山大陆连岛工程的主体.大桥全长为18.5 km,海面桥墩近350个,桥墩附近海床冲刷深度主要包括因风浪和潮流引起的自然冲刷、因建桥使过水断面缩窄而产生的一般冲刷和桥墩阻水形成的马蹄形漩流引起的局部冲刷.河流上桥墩局部冲刷已进行过大量研究,建立了可供设计使用的桥墩冲刷计算公式,而金塘大桥位于灰鳖洋海域,作用水流为极其复杂的往复流,使海床局部冲刷深度难以利用现有公式进行计算,因此采用海域实测地形资料分析了桥轴线附近的海床自然冲刷,利用水槽正态模型试验模拟研究了桥墩附近的一般冲刷和局部冲刷.实测资料表明,该海域潮流流速大小与潮差有较好的相关关系,潮差越大,潮流流速也越大,而桥墩的局部冲刷深度也随流速的增大而增大,因此,选取潮差频率为300年一遇和10年一遇的特大潮分别作为运行期和施工期的潮流边界.桥位所处的海床较为稳定,故以最新的实测地形各桥墩处高程作为冲刷试验起始高程.试验初期桥墩附近海床快速下切形成冲刷坑,随后冲刷值迅速减小,海床渐趋稳定.研究表明,该大桥所处海域总体上趋于动态平衡状态,桥轴线东段微冲、西段微淤.运行期金塘大桥附近的海床自然冲刷,一般均在1.1 m以内,仅在主槽附近较大,约5 m左右.试验表明,潮流作用下桥墩附近的一般冲刷和局部冲刷均明显大于自然冲刷幅度,主墩最大局部冲刷幅度为14.4 m,引桥桥墩最大局部冲刷幅度为7.8～10.3 m;据此可得到桥墩附近海床的总体冲刷幅度和设计高程,不仅为工程建设、运行的安全性及经济性提供了坚实的技术支撑,而且可供其它海域建桥后桥墩附近海床的冲刷研究提供参考.     

港珠澳大桥青州航道桥桥墩基础冲刷试验研究

桥墩基础冲刷是桥梁毁坏的重要因素,是桥梁基础设计的关键指标之一。目前国内外对于桥墩基础在复杂动力条件下冲刷深度的研究常采用物理模型试验方法,利用正态系列模型方法,在波流水槽中研究了水流、潮流和波流共同作用下青州航道桥索塔基础周围流态变化和局部冲刷特征。研究结果表明,桥墩最大冲刷深度和冲淤范围与水流流速、桥墩轴线与水流夹角和波浪等因素有关;在潮流最大流速和恒定流流速一致情况下,桥墩局部冲刷深度达到平衡后,将会达到与恒定流基本一致的最大冲深;波流共同作用下的最大冲刷深度比恒定流增加10%左右。设计桥墩形状在100年一遇水流和波浪共同作用下桥墩基础局部最大冲刷深度为13.7 m。     

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。     

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。     

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。     

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     

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…     

粉沙海床管道在联锁排防护下的冲刷试验研究

采用当地海床的天然粉沙进行试验床面的设计,对海底管道在实际海床受到的极限波浪和最大水流作用进行试验,在管道上方铺设混凝土联锁排,对联锁排块体稳定性和其对管道防护的有效性进行研究。通过物理模型试验,研究了在极限波浪和最大水流作用下,管道在粉沙床面最大冲刷深度。通过不同水深中波流条件下研究了混凝土联锁排防护效果及其周围床面的冲刷变化,观测了联锁排的稳定性。试验结果表明:按半经验半理论简化公式得出的联锁排厚度能满足稳定性的要求,比水利部规范计算的联锁排厚度偏大的公式更加适合应用,试验期间混凝土联锁排的排面稳定,能有效保护管道,在该防护下管道没有冲刷,只在联锁排上下游与床面接触的来流段和尾端有冲刷,但该冲刷深度不影响联锁排整体的稳定性。     

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。     

地貌形态对海底管线稳定性影响的研究

以东方1-1平台海底管线路由区为例,多次对该路由区多波束测深、旁扫声纳、浅地层剖面、土质、海流及海底过程的原位监测调查数据和收集的波浪、海流等相关资料进行分析,得出,在水动力条件的作用下,海底会产生沉积物的侵蚀、搬运和沉积等过程,这些过程对海底地貌有重要的改造作用,会对管线稳定性具有重大影响。提出管线铺设需预先了解水下环境的动力条件的规律,识别沿拟定管线路由区可能存在的海床运动和波流冲刷的地质灾害,找到地貌形态对海底管线稳定性影响的原因。进而提出根据不同情况的解决对策,有效地减少地貌形态对海底管线稳定性影响。