海底管線沖刷懸空擴展與渦激振動誘發機理研究

《海底管線沖刷懸空擴展與渦激振動誘發機理研究》是依託中國科學院力學研究所，由臧志鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：海底管線沖刷懸空擴展與渦激振動誘發機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：臧志鵬
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

海底管線是海洋石油天然氣開發中的重要組成部分。沖刷三維擴展以及懸跨段渦激振動是引起管線破壞的主要原因。目前的研究者多是將管線局部沖刷和懸空段渦激振動作為相互獨立的問題開展研究的，不能很好地反映二者之間的耦合作用和緊密關聯。本項目將對這一複雜的流體-結構-海床之間的耦合作用問題開展深入研究。通過模型試驗，對海底管線沖刷三維擴展過程中的流場結構、海床演變和管線動力回響進行多物理參數同步測量。研究影響沖刷擴展的主要因素，特別是考慮了管線存在變形和振動等情況的影響，並揭示沖刷擴展的流動機理。對沖刷擴展過程中管線出現渦激振動和自埋效應等不同結構形態的發生條件進行判別。並針對懸空管線的渦激振動特性進行深入研究，建立渦旋結構模式與管線振動特性之間的關係，揭示渦激振動的誘發機理，為渦激振動抑制研究奠定理論基礎，最後確定管線懸空的臨界長度。本項目研究將為海底管線的工程設計和科學研究提供重要的參考依據。

結題摘要

局部沖刷懸空以及懸空段的渦激振動是造成海底管線破壞的重要原因，它包涵著一系列複雜的流固土耦合問題，涉及到了環境荷載變化、海床土質及埋設深度、管道材料特性等眾多因素影響。由於管線局部沖刷問題的複雜性，對於懸空段端部的三維沖刷以及沖刷沿管道的擴展還很少見，尤其是波浪以及波流共同作用的情況。對於某些特殊結構形式的管道束，比如子母管結構，由於附加子管的存在，改變了周圍流場特性，將對其動力回響特性產生重要影響。此外，管道走向與環境荷載的角度、海床的近壁面效應的都會影響管道渦激振動的發生和發展。 本項目從以下三個方向對海底管道局部沖刷及渦激振動問題展開研究： （1）開展波浪及波流共同作用下砂質海床上海底管道三維沖刷擴展模型實驗，對管道三維沖刷機理及擴展規律進行分析，並建立波浪及波流共同作用下的管道三維沖刷擴展經驗模型。研究發現：波浪作用下的管道三維沖刷幾乎以一個穩定的速率擴展，這主要是由於水流通過管道與懸跨端部的狹縫引起的二維沖刷效應引起的。 對於具有一定作用角度的情況，由於波浪的周期性作用，沖刷擴展在管道順流與逆流兩個方向速率保持相等。沖刷擴展速率隨著埋設厚度的增加而減小，隨著波浪KC的增加而增加，隨著荷載作用角度的增加而減小。對於波流共同作用的情況，沖刷擴展速率則隨波浪水流速度比的增加先減小而後逐漸增大。 （2）對海底子母管結構尾流場進行定量測量，分析海底管道尾跡渦變化規律及其與管線渦激振動回響的關係，研究海底管道渦激振動抑制機理。利用PIV技術對水槽中近壁面處的子母管結構的尾流場進行了定量測量。基於量綱分析理論，套用旋流強度（swirling strength）對尾渦脫落強度及頻率進行分析。在子母管間距G/D = 0.05 ~ 0.2的範圍內，子管對母管的渦脫落抑制效果最明顯；並進行模型實驗研究了阻尼質量比、子母管間距以及相對角度等結構參數對渦激振動的影響。 （3）研究斜向海流作用下近壁面海底管道渦激振動特性以及沖刷海床上海底管道的渦激振動臨界速度，並確定管線懸空的臨界長度。研究結果表明：近壁面的管道在加速水流和減速水流下的振動存在一個遲滯效應，對應的臨界流速也發生改變。壁面對於渦激振動的發生具有一定的抑制作；隨著水流作用角度的增加，管道越不容易發生振動；沖刷海床對於管道起到保護作用，管道振動的臨界速度也相應增大。