基于IDDES方法的冲刷地形海底管道绕流数值模拟

近年来,海底管道对于近海油气工业中碳氢化合物的运输十分重要,预测海底管道周围水动力特征对于研究管道损坏机理具有重要意义。基于Spalart-Allmaras改进延迟分离涡模拟(improved detached eddy simulation,简称IDDES)湍流模型,利用开源OpenFOAM求解器计算单管冲刷过程中4个特征阶段管道周围水动力特征。在数值模拟中先计算了无圆管时均匀来流充分发展后的流场,依据该流场中进口流速分布设定有管道时的边界层及进口边界条件。通过将最终模拟结果与前人试验数据及数值模拟结果进行对比,表明了该模型计算结果相对于k-ε模型及LES模型更加贴合试验结果,验证了定义边界层方法的可靠性及IDDES模型在预测管道周围流场的适用性。模型计算结果显示,随着冲刷坑深度的逐渐增加,管道下游回流区会经历一个大幅缩减又逐渐扩大的过程,且逐渐关于圆管中心所在水平线对称;通过对不同冲刷阶段尾涡形态的分析表明,冲刷前期并没有涡脱产生,中期已经有产生涡脱的趋势,后期出现了明显的且较为稳定的涡脱。     

杭州湾海底管道冲刷自埋演化过程初步研究

针对杭州湾海底管道的实际工程状况,使用声学探测技术对海底管道冲刷自埋演化过程进行了现场检测,验证了海底管道从初始敷设状态依次发展为孔道冲刷、部分掩埋、尾流冲刷、尾流冲刷平衡、再次孔道冲刷和回淤自埋状态的演化过程.采用数值模拟方法分析了海底管道自埋演化过程中的典型状态,结果表明:管道下方的渗流和天然微孔隙是孔道冲刷起动的...     

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。     

基于CFD-DEM方法对海底管道床面冲刷的研究

采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证,该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性,证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解,即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中,发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度,冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后,管道后方出现周期性脱落的涡旋,沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势,首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度,对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。     

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。     

CEL法与ALE法在海底管土作用数值仿真中的应用

针对海底管道与海床相互作用有限元仿真中普通拉格朗日单元因大变形而畸变的问题,需要选用更合适的仿真方法。本文首先分别采用针对网格大变形问题发展出来的任意拉格朗日欧拉(ALE)法以及欧拉-拉格朗日耦合(CEL)法建立有限元模型,借助模型试验数据验证数值仿真方法的合理性,并通过网格无关性分析,确定了ALE法与CEL法适合的单元尺寸。然后分别利用拉格朗日法、ALE法以及CEL法计算了海底管道垂向与侧向土体反力,通过对比分析得出各种方法在研究海底管土作用时的优、缺点。最后进行了管土作用试验,发现CEL法能够较好地反映管土作用中的速度放大效应。     

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.     

海底管道周围局部冲刷数值模拟分析

通过建立一个垂直二维紊流模型来模拟管道周围流场,建立泥沙冲刷模型来模拟海床底面变化。其中,冲刷模型同时包括悬移质输沙和推移质输沙。海床底面变化通过计算底面泥沙总输运平衡关系得到。并进行多组冲刷数值实验,分析泥沙冲刷过程,总结出一套冲刷平衡深度经验公式。     

椭圆度-凹坑双缺陷海底管道局部屈曲特性研究

海底管道在制造、埋设以及使用过程中极易产生椭圆度-凹坑双缺陷,双缺陷影响管道局部屈曲,对含椭圆度-凹坑双缺陷海底管道的局部屈曲特性研究十分必要。现行规范中采用等效椭圆度对含椭圆度-凹坑海底管道进行评估,该方法无法准确评估不同缺陷形式的屈曲特性。采用形状系数对含椭圆度-凹坑双缺陷的海底管道进行评估,运用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并进行试验验证。在此基础上对含有不同凹坑深度、不同椭圆度的海底管道进行局部屈曲的数值模拟,计算不同形状椭圆度、含有不同凹坑深度海底管道的形状系数,对其进行敏感性分析。计算结果表明:形状系数对海底管道椭圆度、凹坑深度、径厚比敏感性较强;对凹坑宽度敏感性较弱。     

海底管线局部冲刷机理研究综述

局部冲刷造成的悬空是海底管线失效的最大诱发因素。对均流及波浪作用下铺设在海床表面管线的局部冲刷起动机理、临界条件以及2D局部冲刷机理、流—管—土耦合机理和3D局部冲刷机理等做了分析和总结。     

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…     

Wave pressures and uplift forces on and scour around submarine pipeline in clayey soil

Experimental investigations are carried out on wave-induced pressures and uplift forces on a submarine pipeline (exposed, half buried and fully buried) in clayey soil of different consistency index both in regular and random waves. A study on scour under the pipeline resting on the clay bed is also carried out. It is found that the uplift force can be reduced by about 70%, if the pipeline is just buried in clay soil. The equilibrium scour depth below the pipeline is estimated as 42% of the pipe diameter for consistency index of 0.17 and is 34% of the pipe diameter for consistency index of 0.23. The results of the present investigations are compared with the results on sandy soil by Cheng and Liu (Appl. Ocean Res., 8(1986) 22) to acknowledge the benefit of cohesive soil in reducing the high pore pressure on buried pipeline compared to cohesionless soil.     

舟山册子岛—宁波镇海海底原油管道冲刷的影响因素

局部冲刷引起裸露甚至悬空是造成管道失稳的主要原因之一。舟山册子岛—宁波镇海海底原油管道自2006年运行以来,其赋存状态由全线掩埋逐渐演变为局部裸露甚至悬空的严峻局面,并且有继续恶化的趋势。基于管道2006—2012年历年检测资料,从多个层面分析造成海底管道冲刷的原因,认为造成管道冲刷的基本条件是研究区的自然冲淤规律,极端天气条件、镇海侧的大型围垦工程、舟山连岛大桥建设、长江来沙减少等其他因素的叠加也不可小视。     

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。     

Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents

Local scour below a vibrating pipeline under steady current is investigated by a finite element numerical model. The flow, sediment transport and pipeline response are coupled in the numerical model. The numerical results of scour depths and pipeline vibration amplitudes are compared with measured data available in literature. Good agreement is obtained. It is found that pipeline vibrations cause increases of scour depth below the pipeline. The scour pit underneath a two-degree-of-freedom vibrating pipeline is deeper than that under a pipeline vibrating only in the transverse flow direction. The effects of water depth are also investigated. The present numerical result shows that water depth has weak effect on the scour depth. However it does affect the time scale of the scour. The shallower the water depth is, the less time it requires to reaches the equilibrium state of scour. It is found that the vibration forces vortices to be shed from the bottom side of the pipeline. Then vortex shedding around a vibrating pipeline is closer to the seabed than vortex shedding around a fixed pipeline. This contributes to the increase of the scour depth.     

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。