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。     

波浪作用下孔隙海床-管线动力相互作用分析

波浪作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而,在目前的海床响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线之间的相互作用效应,同时也没有考虑土体和管线加速度对海床动力响应的惯性影响,从而无法确定由此所引起的管线内应力。为此考虑管线的柔性,分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程,进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,基于有限元方法建立了海床-管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过变动参数对比计算讨论了管线几何尺寸、海床土性参数对波浪所引起的管线周围海床孔隙水压力和管线内应力的影响。     

斜堤护面块体在斜向波作用下的稳定性

通过三维模型试验 ,研究了在斜向波作用下 ,扭工字块体、钩连块体、四脚空心方块和抛填块石等 4种块体在斜向波浪作用下的稳定性 ,给出了实用计算方法。     

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。     

随机波作用下埋管海床动态响应及液化研究

基于广义Biot动力理论和Longuet-Higgins线性叠加模型,构建波浪-海床-管线动态响应的有限元计算模型,求解随机波作用下,多层砂质海床中管线周围土体孔隙水压力和竖向有效应力的分布。采用基于超静孔隙水压力的液化判断准则,得出液化区的最大深度及横向范围,从而判断海床土体液化情况。考虑海洋波浪的随机性,将海床视为多孔介质,海床动态响应计算模型采用u-p模式,孔隙水压力和位移视为场变量。并考虑孔隙水的可压缩性、海床弹性变形、土体速度、土体加速度以及流体速度的影响,忽略孔隙流体惯性作用。参数研究表明:土体渗透系数、饱和度以及有效波高等参数对海床土体孔隙水压力、竖向有效应力和液化区域分布有显著影响。     

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.     

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。     

随机波作用下海床动态响应分析

真实的海洋波浪是随机的,而前人对海床的动态响应分析大都是选用线性波或者Stokes波理论,对海床的模拟大都采用Biot拟静力模型,忽略了流体速度及土体位移加速度的影响。联合使用Longuet-Higgins随机波模型(采用Jonswap谱)以及动力u-p形式的海床响应计算模型,使用COMSOL Multiphysics多场耦合软件的PDE模块输入方程进行有限元计算,得到随机波作用下整体海床动态响应结果。将随机波结果与一阶Stokes波和椭圆余弦波结果进行对比,并对渗透系数和饱和度进行参数分析,研究表明渗透系数和饱和度对于随机波作用下海床动态响应影响显著。     

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     

波浪作用下斜坡上单桩周围海床孔隙水压力响应特性试验研究

单桩基础周围斜坡海床中的波致孔隙水压力响应与纯斜坡海床存在较大差异。为了解不同波高、波周期条件下,单桩基础周围波浪传播变形及其对斜坡海床孔压振荡响应的影响,在波浪水槽末端铺设了长6 m、坡度1∶16的斜坡砂床进行试验。通过改变桩身位置和波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集单桩周围孔隙水压力,分析了桩身位置及波浪参数对斜坡海床孔压响应的影响。结果表明：相同入射波条件下,随距坡脚水平距离增加,波高、近底流速和桩周孔隙水压力幅值都随之增大;桩周孔隙水压力幅值分布规律为：桩前孔压幅值明显大于桩侧与桩后孔压幅值。当Keulegan-Carpenter数大于6时,随着波高和波周期增大,马蹄涡产生的负压区使得桩侧海床孔隙水压力与纯斜坡海床孔隙水压力差值迅速增加。     

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。     

3D scour below pipelines under waves and combined waves and currents

This paper presents the results of an experimental investigation on three-dimensional local scour below a rigid pipeline subjected to wave only and combined wave and current conditions. The tests were conducted in a conventional wave flume. The major emphasis of the investigation was on the scour propagation speed (free span expansion rate) along the pipeline after local scour was initiated at a controlled location. The effects of flow ratio (steady current velocity vs. combined waves/current velocity), flow incidence angle and pipeline initial embedment depth on free span expansion rate were investigated. It was observed that the scour along the pipeline propagated at a constant rate under wave only conditions. The scour propagation rate decreased with increasing embedment depth, however, increased with the increasing Keuglegan–Carpenter (KC) number. Under combined wave and current conditions, the effect of velocity ratio on scour propagation velocity along the pipeline was quantified. Empirical relationships between the scour propagation rate (V_h) and key parameters such as the KC number and embedment depth (e/D) were established based on the testing results.     

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。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。     

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…     

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。     

GMDH-GEP to predict free span expansion rates below pipelines under waves

ABSTRACT

In this research, group method of data handling (GMDH) as a one of the self-organized approaches is utilized to predict three-dimensional free span expansion rates around pipeline due to waves. The GMDH network is developed using gene-expression programming (GEP) algorithm. In this way, GEP was performed in each neuron of GMDH instead of polynomial quadratic neuron. Effective parameters on the three-dimensional scour rates include sediment size, pipeline geometry, and wave characteristics upstream of pipeline. Four-dimensionless parameters are considered as input variables by means of dimensional analysis technique. Furthermore, scour rates along the pipeline, vertical scour rate, and additionally scour rates in the left and right of pipeline are determined as output parameters. Results of the proposed GMDH-GEP models for the training stages and testing ones are evaluated using various statistical indices. Performances of the GMDH-GEP models are compared with artificial neural network (ANN), GEP, GMDH, and traditional equations-based regression models. Moreover, sensitivity analysis and parametric study are conducted to perceive influences of different input parameters on the three-dimensional scour rates.     

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。