海底管道沙粒侵蚀的数值模拟及侵蚀公式评价

海底管道中颗粒侵蚀是油气输送过程面临的一个重要问题,也是流动保障的一个重要分支。弯头和T型堵头管是油气生产中最易于发生颗粒侵蚀的管道组件。首先使用剪切压力传输模型(SST)计算管道内流场,使用拉格朗日方法跟踪颗粒运动轨迹,结合颗粒随机反弹模型,建立跟踪复杂流场中大规模颗粒运动轨迹的一般方法;之后引入四种颗粒侵蚀公式,预测弯头、T型堵头管的砂粒侵蚀结果,并结合实验数据,比较分析各侵蚀公式的精度与适用性。分析结果表明,对于弯头,四种侵蚀公式的数值结果与实验结果均吻合良好,其中Tabakoff的侵蚀公式具有较高的精度和较好的适用范围;对于T型堵头管,数值方法对颗粒运动机理的模拟尚存缺陷,需做进一步改进。     

风暴潮、大潮对广西涠洲岛西南沙滩侵蚀的影响分析

本文统计分析了广西涠洲岛沿海气候、潮汐和风暴潮等历史资料,利用耿贝尔方法推算了涠洲岛多年一遇年极值高潮位,并估算了其漫滩范围分布,指出近几年高潮位出现的频次和极值均越来越高是涠洲岛西南部沙滩侵蚀愈加严重的重要原因,最后结合风暴潮-海浪耦合数值模拟了研究区域内"0312"号台风风暴潮漫滩的情况,分析了风暴潮和大潮对涠洲岛西南部沙滩侵蚀的影响,对当地岸滩修复和防护具有一定的指导意义。     

海滩侵蚀的数值分析模型

介绍了有关海滩侵蚀造成海岸演变问题的数学分析模型。根据海岸线演化和海滩断面的沉积物迁移理论建立一种顺岸方向和垂直岸线方向海岸形状变化的耦合模型。将海滩沉积物被海浪迁移的机理看作由于海水在海滩介质孔隙内渗流侵蚀和海浪对海滩介质冲刷所致的海滩介质的孔隙损伤变化。这种结合数值和解析分析的综合方法可用于模拟海岸演变问题中海岸线 (沿岸方向 )和海滩断面 (垂直海岸线方向 )的变迁情况     

基于动力条件改变的笔架山连岛坝侵蚀原因分析

利用MIKE21软件的波浪谱模型及潮流模型对辽宁锦州大笔架山岛连岛坝海域的波浪、潮流等水动力条件进行了数值计算,并对锦州港建设前后的动力条件变化进行了分析.结果表明：锦州港的建设完全阻断了偏西向波浪对连岛坝的塑造作用,坝体的侵蚀确系单侧（偏东向）波浪作用的结果,坝体局部侵蚀严重区域形成四处明显的潮沟,潮沟处流速增大,加剧了对坝体的侵蚀.     

受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究

基于耦合流场和热噪声的相场模型及合理高效的三维动态求解域加速算法,定量模拟了在受迫流动下枝晶的非对称生长及流速对迎流、背流两侧的温度分布和层流层分布的影响.计算结果表明,受迫流动使迎流、背流两侧温度的分布与层流层分布呈现不对称状态,导致迎流侧与背流侧的过冷度不同,而熔体施加于枝晶界面前沿迎流侧的力还不足以抑制过冷度的作用,结果造成枝晶迎流方向优先生长,从而产生倾向于散热方向的倾斜;同时,由于迎流侧的实际过冷度大于背流侧,有利于促进迎流一侧枝晶生长速度以及稳定侧向分枝生长,从而导致了侧向分枝的非对称生长.随     

基于Ecopath模型的西南黄海生态系统结构和能量流动分析

构建了包括20个功能组的西南黄海生态通道模型(Ecopath Model)。分析结果表明:各功能组营养级的范围在1. 000～4. 509之间,鸟类、鱼类、头足类等主要高营养级生物的营养级范围为3. 417～4. 509。该生态系统的能量流动主要发生在食物网的低营养级部分,在7个系统整合营养级间,能量传递效率沿食物链逐级降低,各营养级生物的消耗量和产出量也急剧减少。从第I营养级到高营养级间的逐级转换效率分别为11. 33%、13. 16%、15. 50%、14. 67%、13. 61%和15. 68%,系统平均转化效率为13. 22%;来源于碎屑的能量转化效率为13. 35%,来自初级生产者的转化效率为13. 14%。在总能流中,直接来自碎屑的占43%,来自初级生产者的占57%,说明系统的能流通道以牧食食物链为主导。混合营养评价显示,系统生产者碎屑与浮游植物对其他多数功能群有积极影响,蟹类、鲽形目、水母、大型底栖和浮游生物中同类竞争的消极影响尤为明显。西南黄海生态系统总初级生产力与总呼吸量比值为2. 541,Finn’s循环指数和Finn’s循环路径长度分别为3. 983、2. 444。通过模型输出的系统生态参数分析,当前西南黄海生态系统仍处于不成熟的、不稳定的阶段。     

粗颗粒水下管道输送系统振动的实验研究

浸没于水中的粗颗粒管道输送系统,由于受到泵、内部两相流及外部流体三者的耦合激励,管道系统振动将对管道输送参数和安全稳定性产生严重影响。为了深入分析水下管道输送系统工作时振动的特性,设计了一套振动测试,对管道系统振动进行了测试,获取管道在不同工况下的时域波形,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。试验结果表明:随着输送体积浓度增加,X与Y方向的最大振动幅度随着体积浓度增大而增大,但是Z方向的最大振动幅度则是随着体积浓度增加而降低;同一输送浓度情况下,Y方向振动幅度最大,X方向次之,Z方向最小;随着输送浓度提高,流体紊流引起的管道振动加剧。这些结论将为深海采矿管道支撑结构设计和减振提供参考。     

火灾烟颗粒分形模型和球形模型光散射的比较研究

对烟颗粒的光散射进行模拟计算是研究火灾烟颗粒光散射特性的重要手段,目前对于火灾烟颗粒光散射的数值计算多采用球形或椭球模型.实际上,火灾烟颗粒的形貌与球形和椭球均存在着显著差异.扫描电子显微镜图像表明,烟颗粒具有近似分形的结构.本文利用离散偶极近似方法计算了随机取向的火灾烟颗粒分形凝团以及同体积的球形颗粒的光散射Muller矩阵,并对两者的归一化Muller矩阵元素随散射角的分布进行了比较.研究表明:火灾烟颗粒分形模型和球形模型的归一化矩阵元素F₁₁(θ)/F_{11相似文献}   

基于多源数据的福建东山岛海岸侵蚀及其不同时空尺度成因分析

海岸侵蚀对海岛紧缺的陆地资源及旅游价值较大的沙滩危害巨大。基于卫星遥感、有人航空摄影、无人机航测、GPS和现场调查等多源数据,利用GIS分析了东山岛海岸线类型、位置与长度变化及滩面冲蚀演变。研究表明,东山岛多处曲折自然岸线转化为较为平直的人工岸线致使整体岸线长度减少,无人机高程反演满足滩面排水冲蚀监测精度要求,乌礁湾和山南湾不同养殖排水方式形成不同特征的滩面冲沟,改变了沙滩微地貌形态。海平面上升和台风风暴潮是长期趋势性和短期突发性侵蚀因素的代表,当前短时间尺度的人类活动已成为滩面冲蚀的最主要因素,且有可能转变为长期趋势性因素。     

海水中矿物质颗粒吸收和散射特性Mie理论分析

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的矿物质颗粒吸收和散射特性进行了模拟计算.颗粒的衰减和散射效率随着参数ρ的增大呈现出振幅依次减小的一系列有规则的振荡变化,而吸收效率则随着ρ的增加而增大;随着颗粒吸收性的增强,散射效率和吸收效率随着ρ的增大最终都将趋近极限值1.对于矿物质颗粒群,颗粒群的粒度分布变化对散射和后向散射特性影响很大,小粒径粒子对散射和后向散射的贡献比较大;折射率实部以及虚部变化对散射特性均有影响,颗粒的吸收性越强,则散射会相应地减弱;粒度分布以及折射率虚部对吸收系数也存在较大的影响,但是折射率实部对吸收系数的影响不大.     

Euler-Euler two-phase flow simulation of tunnel erosion beneath marine pipelines

In this study an Euler-Euler two-phase model was developed to investigate the tunnel erosion beneath a submarine pipeline exposed to unidirectional flow. Both of the fluid and sediment phases were described via the Navier-Stokes equations, i.e. the model was implemented using time-averaged continuity and momentum equations for the fluid and sediment phases and a modified k−ε turbulence closure for the fluid phase. The fluid and sediment phases were coupled by considering the drag and lift interaction forces. The model was employed to simulate the tunnel erosion around the pipeline laid on an erodible bed. Comparison between the numerical result and experimental measurement confirms that the numerical model successfully predicts the bed profile and velocity field during the tunnel erosion. It is evident that the sediments are transported as the sheet-flow mode in the tunnel erosion stage. Also the transport rate under the pipe increases rapidly at the early stage and then reduces gradually at the end of the tunnel erosion beneath pipelines.     

A semi-analytical method of stress-strain analysis of buried steel pipelines under submarine landslides

A semi-analytical method of the stress-strain analysis of buried steel pipelines under submarine landslides was proposed, considering the nonlinearities of the pipe-soil interaction and mechanical properties of the pipe steel. The pipeline was divided into three parts according to different loading conditions, and the corresponding differential equations were established based on a combination of the beam-on-elastic foundation and elastoplastic-beam theories. According to the second-order central difference method, the transverse horizontal displacement was calculated, and then the bending strain was obtained based on the relation between bending strains and curvatures. Considering the interaction between the axial and bending strains, the axial strain can be derived from the equilibrium condition by equating the axial force. The proposed method was verified through the comparison of obtained solutions to ANSYS results, with minor deviations which do not exceed about 4.6%. Additionally, the effects of the slide width, the buried depth of pipelines, the internal friction angle of soils, the cohesion of soils and the bulk density of soils are investigated through parametric studies.     

A refined analytical analysis of submerged pipelines in seabed laying

The paper analyzes the elastic deflection of submerged pipelines laid with a stinger by taking into account the overall effects of the ovalization of the cross section. The analysis is performed by means of a singular perturbation technique and the analytical solution obtained is shown to offer different advantages over the finite element method. Two examples demonstrate the effectiveness of the procedure by means of a comparison with results from other less refined analytical solutions and from the commercial finite element code .     

基于颗粒流理论的深海玄武岩破碎机理研究

针对深海玄武岩岩芯样品在高围压下难以破碎获得的问题,理论分析了金刚石与岩石的相互作用。采用单轴与三轴压缩实验,获得了模拟深海玄武岩的力学参数;基于颗粒流理论,建立了深海玄武岩线性平行黏结颗粒流数值模型,数值模拟高围压下金刚石颗粒破碎玄武岩的过程,获得了金刚石与玄武岩相互作用的动态力学响应规律,初步阐明金刚石破碎玄武岩机理。研究表明,玄武岩颗粒间黏接破坏主要为拉伸失效,玄武岩与金刚石接触力体现为周期应力,玄武岩产生间歇式裂隙扩散。理论分析与仿真结果基本吻合,表明建模与仿真的正确性,为深海便携式取芯钻机设计提供了理论基础与技术依据。     

基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析

海底滑坡会对海洋工程结构物造成严重破坏。滑移速度和距离是量化和分析海底滑坡的两个重要参数。目前BING等计算方法在模拟水下土体流动方面存在局限性,因此通过建立考虑土体固结和侵蚀效应的控制方程,选用摩擦流变模型,采用SPH深度积分算法,对海底滑坡进行了模拟研究。对比不同水深、坡度、接触摩擦系数和侵蚀率条件下的滑移体的速度、高度、长度的时程曲线,整理了最大滑移距离和速度,讨论变化规律。研究成果可为海底滑坡灾害预警和海底管线路由选址提供技术参考。     

多跨海底管道横流向涡激振动预报模型

基于欧拉-伯努力梁理论确定了多跨管道结构振动方程,采用非线性Van der pol方程描述旋涡脱落的尾流动力特性,利用弹簧模拟两端和中间的复杂边界约束,构建了多跨海底管道横流向涡激振动预报模型。基于模态正交性展开流-固耦合作用方程,对各阶主坐标响应进行数值求解。对比了本模型预报结果与试验结果、软件分析以及DNV规范推荐值,吻合情况比较理想。本模型可为深海多跨管道涡激振动的研究、防范和治理提供有效的分析方法。     

粗颗粒两相流计算方法研究

针对具有颗粒粒级跨度大且粒径大特点的固液两相流系统,如深海采矿系统等,开发新型粗颗粒—均质浆体计算模型,该模型采用欧拉—拉格朗日计算法,大粒径颗粒视为固相粗颗粒,其余视为细颗粒与海水组成液相均质浆体。固—液相间滑移速度v_(slip)作为粗细颗粒划分标准,通过联立颗粒雷诺数Re_p,液相对颗粒绕流阻力系数C_d,颗粒粒径d_p等参数,得到滑移速度v_(slip)与颗粒粒径d_p的相关函数,获得粗细颗粒的划分粒径,进而得到两相流控制方程。利用CFD软件,使用该方法对粗颗粒固—液两相流垂直管提升系统进行仿真计算,并将所获得的仿真结果与已发表成果进行对比,发现数据较为吻合,从一定程度上验证了该计算模型的准确性。     

航道区碎石层对霍尔锚落锚条件下海底管道防护效果研究

航道中船舶抛锚作业使海底管道可能受意外撞击,造成管道局部损伤甚至失效,进而对油气生产安全和生态环境等造成重大危害。采用碎石层防护是航道区等海域海底管道最常用的防护手段。首先基于大比尺落锚模型试验,观测了霍尔锚下落贯入碎石的3个阶段及其贯入过程中管道的应力应变状态。通过建立光滑粒子流体动力学法（SPH）和有限元法（FEM）耦合的数值模型,针对实际不同吨位通航船舶常用的霍尔锚,研究了其贯入碎石层深度及埋设管道受力和凹陷变形规律。最后分析了不同锚质量、碎石层形状和厚度等因素下埋设管道的响应规律。结果表明：采用暗埋式碎石防护层有利于撞击能量吸收,能更好地防护海底管道受损;且采用3 m以上碎石防护层能有效保护海底管道抵抗各类实际常见霍尔锚的撞击损伤。