海底管道局部沖刷耦合動力過程的實驗與數值模擬研究

《海底管道局部沖刷耦合動力過程的實驗與數值模擬研究》是依託大連理工大學,由唐國強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：海底管道局部沖刷耦合動力過程的實驗與數值模擬研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：唐國強

項目摘要

海底管道是進行海洋油氣資源開發的重要輸運設施。鋪設于海底的管道在水流和波浪等複雜海洋水動力條件的作用下，極易發生局部沖刷、管道懸空和振動破壞，這將給海洋油氣生產企業帶來巨大的經濟損失，甚至會引起嚴重的海洋環境污染。本項目將通過物理實驗與數值模擬的有機結合，研究波浪、水流以及波流聯合作用下海底管道的局部沖刷問題。研究中將考慮水動力條件(流速及流向)、管道幾何特徵、管道初始埋深等多種因素對局部沖刷的發生條件、發展過程以及極限平衡狀態的影響作用。重點研究管道的渦激振動動力回響與局部沖刷的耦合動力過程的物理機制，並分析耦合動力過程對沖刷擴展速率、極限懸跨長度和平衡沖刷剖面的影響作用，從而為管道的設計、施工及安全服役提供有力的科學依據及技術參考。

結題摘要

鋪設于海底的管道，在波浪和水流等複雜水動力條件作用下，極易發生局部泥沙沖刷，致使海底管道發生懸空。在周期性流體作用力下，懸空的海底管道會發生渦激振動，誘發疲勞破壞。管道的渦激振動會進一步影響泥沙輸運過程，進而影響管道的局部沖刷。泥沙局部沖刷引起的管道懸空以及管道振動都會危及管道的安全。一旦管道發生破壞，不但會造成巨大的經濟損失，還會引起嚴重的環境污染。本項目建立了可綜合考慮波浪自由表面-管道渦激振動-泥沙輸運-底床變形的通用有限元湍流數值實驗水槽，基於任意拉格朗日-歐拉方法，對波浪自由表面、管道渦激振動及底床變形所引起的不確定性界面進行了實時捕捉。利用上述數值分析模型，針對圓柱結構流固耦合問題、海底管道局部沖刷與渦激振動耦合動力過程開展了深入細緻的研究工作，對流固耦合、傳質輸運及湍流特徵等形成了諸多新的認識。通過物理模型試驗，獲得了海底管道局部沖刷平衡剖面、沖刷擴展速率對外部水動力條件，來流攻角及管線初始埋深的依賴關係；針對單個垂直樁柱的局部沖刷問題開展了物理模型試驗研究工作，提出了改進的局部沖刷預報公式；針對群樁局部沖刷開展了物理模型試驗研究工作，獲得了沖坑深度、沖坑半徑等物理量對群樁孔隙率的依賴關係。本項目所建立的分析方法及計算模型，對海底管道設計及更廣泛的流固耦合問題具有重要的借鑑意義。在本項目的資助下，發表研究論文9篇，其中SCI國外期刊論文4篇（包括國際高水平學術期刊Journal of Fluid Mechanics 1篇，Coastal Engineering 1篇，Physics of Fluids 1篇），EI收錄2篇；授權軟體著作權1項，培養博士研究生1名，碩士研究生1名；參加1次國際會議。