【摘要】：直鋪于海床表面的海底管線,在水流、波浪長期作用下易造成沖刷懸空,沖刷已成為管線失事的主要原因之一。探索管線周圍水動(dòng)力特性及其床面演變規(guī)律已成為保障管線穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題。本文通過概化水槽定、動(dòng)床實(shí)驗(yàn),利用高精度流速剖面儀(ADCP)和三維地形儀,對(duì)不同作用角的水流、波浪或波流耦合作用下管線周圍流速剖面和三維地形進(jìn)行精細(xì)測(cè)量,并基于N-S方程,耦合DES紊流模型建立了三維水動(dòng)力數(shù)值模型,研究了管線周圍的三維水動(dòng)力特性及其局部三維沖淤演變規(guī)律,得到以下主要結(jié)論：研究了不同作用角的水流、波浪或波流耦合作用下,管線周圍的水流結(jié)構(gòu)和紊動(dòng)特性,探討了水流的渦動(dòng)結(jié)構(gòu)演化特征,揭示作用角對(duì)管線周圍水動(dòng)力特性的變化規(guī)律。在水流作用下,管前上表面水流分離向上形成較強(qiáng)的剪切流,引發(fā)管后大尾渦周期性發(fā)展并脫落；管線前后近床面形成較小的漩渦結(jié)構(gòu)順管軸螺旋流動(dòng),管后水流紊動(dòng)強(qiáng)度明顯大于管前,且管壁附近紊動(dòng)強(qiáng)度最大；水流垂線剖面流速分布和紊動(dòng)動(dòng)能分布均呈分層特性。波浪作用下,管線前后水流呈現(xiàn)振蕩,管線表面水流分離產(chǎn)生的尾渦交替出現(xiàn)于管線前后,前半周期底部流速方向與傳播方向相同,后半周期兩者方向相反,但流速值均先增后減。波流耦合作用下,管前與水流變化類似,管后水流呈現(xiàn)不規(guī)則的周期性變化；法向流速和軸向流速在各相位間出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。研究了不同間隙比e/D和KC數(shù)情況下管線周圍水動(dòng)力結(jié)構(gòu),分析了間隙比和KC數(shù)對(duì)管線水動(dòng)力特性的影響規(guī)律。隨著作用角的增大,管前渦流范圍逐步縮小至管線附近,管后渦流范圍逐步向下游延伸,且管后渦漩尺度、回流范圍與尾渦紊動(dòng)區(qū)域逐步增加,尾渦中心逐步遠(yuǎn)離管線,同時(shí),軸向水流逐漸減弱；水流作用下,間隙比影響管后尾渦的產(chǎn)生、脫落及渦旋尺度大小,0e/D0.3時(shí)尾渦脫落頻率隨e/D的減小而增大,e/D0.3時(shí)管后尾渦形態(tài)變化不明顯。波浪作用下,KC數(shù)影響明顯,當(dāng)KC較小時(shí),管線周圍的水流不易分離,渦漩不易脫落；隨著KC數(shù)的增加,管線前后的軸向流速和近底流速均增大,水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大,管線兩側(cè)形成較長的渦街、伴隨渦脫落現(xiàn)象。闡述了水流或波浪作用下管線局部沖刷的動(dòng)力機(jī)制,得到了不同動(dòng)力條件下的沖淤形態(tài)特征。不同水動(dòng)力條件下海底管線附近床面沖淤過程基本一致,但形態(tài)各異,呈現(xiàn)沖刷起動(dòng)、快速擴(kuò)展和沖刷平衡等三個(gè)階段。但不同水動(dòng)力條件下管線局部沖淤形態(tài)各異：水流作用下管底沖刷、管后淤積；波浪作用下管底沖刷、兩側(cè)對(duì)稱淤積；波流耦合作用下管底向下游發(fā)展為不對(duì)稱沖刷坑,且波流耦合作用下的最大沖深大于單純水流與波浪作用的線性疊加。隨著作用角的增加,沖刷平衡深度的位置逐漸后移,且最大平衡沖刷深度和寬度隨之增大。采用量綱分析方法,明確了管線局部沖刷平衡深度影響因素,建立了更為全面的水流及波浪作用下沖刷平衡深度經(jīng)驗(yàn)公式,并采用國內(nèi)外其他相近實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上,研究了各因素對(duì)沖刷平衡深度的影響,在水流作用下,沖刷平衡深度隨水流作用角、弗勞德數(shù)的增大而增加,隨間隙比e/D、泥沙中值粒徑d50的增加而減小。在波浪作用下,沖刷平衡深度隨波浪作用角、KC數(shù)的增大而增大,隨間隙比e/D的增加而減小。
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【學(xué)位授予單位】：長沙理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P731.2;P756.2

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 楊兵;高福平;吳應(yīng)湘;周柳燕;張運(yùn)齋;;海流引起海底管道懸空的數(shù)值模擬[A];2005年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

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本文編號(hào)：2303971