海底管線肩部三維沖刷的研究

《海底管線肩部三維沖刷的研究》是依託上海交通大學，由梁東方擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：海底管線肩部三維沖刷的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：梁東方
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

鋪設在海底的管線干擾了局部的水流運動，經常導致管線底部的泥沙被沖走、使得管線出現局部懸跨而對管線的安全運行造成嚴重隱患。現有的工作大都局限於繞海底管線的二維沖刷現象，研究沖坑中部垂直於管線的截面內的流場、泥沙運動和床面變化，而且都只是孤立地研究沖刷起動的條件或者沖刷發展的過程。本項目將通過理論分析、模型實驗和數值模擬，研究三維的管線沖刷問題，特別要研究沖坑在端部沿管線方向的擴展機理，並將同時考慮作用在泥沙顆粒上的床面剪應力和沙體中水力梯度所誘發的滲透力、建立模擬沖刷發生和發展全過程的數學模型。最後，通過大量的數值實驗，總結、歸納三維沖刷在不同流動和管線參數組合下的一般規律，包括管線在振動情況下的三維沖刷。本研究將豐富近壁圓柱繞流的研究內容，完善描述局部泥沙運動的數學模型，揭示管線三維沖刷的機理。這將填補目前關於管線三維沖刷研究的空白，為海洋能源的開發提供技術支持。

結題摘要

研究了鋪設在海床上的管道在水流作用下的三維沖刷問題。現有的工作大都局限於繞海底管道周圍的二維沖刷現象，研究沖坑中部垂直於管線的截面內的流場、泥沙運動和床面變化，而且都只是孤立地研究沖刷起動的條件或者沖刷發展的過程。本項目通過理論分析、模型實驗和數值模擬，研究了多種三維的管線沖刷問題，特別研究了沖坑沿管線方向的擴展、有限長度管線的沖刷和振動管線附近的沖刷，並同時考慮了作用在泥沙顆粒上的床面剪應力和沙體中水力梯度所誘發的滲透力、建立了模擬沖刷發生和發展全過程的數學模型。在計算中既採用了傳統的基於格線的數值計算方法，又採用了現代的無格線計算技術。通過大量的數值實驗，總結、歸納了沖刷在不同流動、床沙和管線參數組合下的發展變化規律，包括管線在振動情況下的三維沖刷。本研究豐富了近壁圓柱繞流的研究內容，完善了描述局部泥沙運動的數學模型，揭示了管線三維沖刷的機理。特別是在管道沖刷模擬中，開發了可以同時使用兩套粒子的物質點算法，分別模擬水體和土體的運動。水體的運動包括床面上的自由水的流動和土體中的滲流流動，而土體包括沙床和做推移質和懸移質運動的泥沙。通過分析床面上土顆粒在水流剪應力和土體中滲流力聯合作用下的運動，初步建立了水流-結構物-床面強耦合系統的分析方法，促進了工程水力學和工程泥沙學科的發展。