本文關鍵詞：自升式平臺圓柱樁腿局部沖刷的數(shù)值模擬研究　出處：《西南石油大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著我國快速發(fā)展對油氣能源的需求逐漸增大,陸上油氣資源隨著長期開采日漸匱乏,油氣資源開采逐漸向海洋傾斜,目前對海洋油氣資源開采主要集中在近海,而自升式海洋平臺是近海油氣開采的重要工具。處于海洋水流環(huán)境中的自升式海洋平臺圓柱型樁腿周圍通常都會產生局部沖刷,當沖刷嚴重時更會影響平臺樁基的穩(wěn)定性,導致平臺事故的發(fā)生。 目前國內外學者對于此類問題的研究主要集中在橋梁圓柱橋墩的局部沖刷和比例模型實驗,而針對實際尺寸的海洋平臺圓柱樁腿在不同水流條件下的局部沖刷的研究較少。為此,本文構建了單向水流條件下的局部沖刷模型、波浪模型、波流模型及其沖刷模型等一系列數(shù)值模型,采用國內外具有一定較高水平和知名度的模型實驗結果進行對比驗證數(shù)值模型的合理性和準確性,并模擬分析不同影響因子對實際尺寸平臺樁腿局部沖刷的影響規(guī)律、局部沖刷的形成過程、局部沖刷的作用機理和沖刷坑的形態(tài),獲得的研究成果能對海洋平臺圓柱樁腿局部沖刷的防護措施、結構優(yōu)化和安全評估提供重要參考。 本文完成的研究工作主要分為以下幾個部分： (1)文獻調研與分析。對單向水流條件下局部沖刷的作用機理和前人的研究成果進行調研和綜述,并對目前研究較多的橋梁局部沖刷進行概述,討論了前人對不同條件下的圓柱局部沖刷的研究成果；對運動中的泥沙分類、受力和波流聯(lián)合條件下的泥沙運動特征進行了概述。 (2)概述模擬中使用的數(shù)學模型和數(shù)值計算方法。對研究中用到的模擬軟件、控制方程和泥沙運輸模型等數(shù)學模型進行概述,使用Roulund的實驗結果與模擬結果進行對比,對兩種湍流模型進行優(yōu)選。 (3)單向水流條件下局部沖刷模型的構建及驗證。構建了單向水流條件下的圓柱局部沖刷模型,將圓柱周圍流場特征及局部沖刷的模擬結果與Melville的實驗結果進行對比,驗證泥沙運輸模型的可靠性。 (4)波浪模型的構建以及孔隙結構消波研究。構建了一系列三維波浪模型,對模型中孔隙結構的消波效果進行研究,對孔隙結構消波效果影響較大的孔隙率、材料粒徑和結構斜坡坡度進行分析研究,獲得最優(yōu)的孔隙結構消波參數(shù)組合。 (5)波流聯(lián)合模型及其局部沖刷模型的構建及驗證。先后構建了波流聯(lián)合作用模型及其沖刷模型,針對波流聯(lián)合模型的流體體積不守恒問題,設置出口邊界為壓力出流邊界；選用Van Rijn的實驗結果對比驗證模型垂直水流流速的合理性；對波流聯(lián)合條件下的圓柱局部沖刷進行模擬,并與Qi的實驗結果進行對比驗證,驗證數(shù)值模型在波流條件下局部沖刷模擬結果的可靠性。 (6)研究不同條件下海洋平臺圓柱樁腿局部沖刷的變化規(guī)律。調研勝利作業(yè)三號平臺的事故,分析事故原因,指出平臺樁腿局部沖刷與事故發(fā)生的聯(lián)系；對樁腿局部沖刷影響較大因子如：流速、水深、樁腿直徑和波流作用下不同波高進行模擬分析,研究影響因子變化對樁腿局部沖刷的影響及其作用機理。 總之,本文結合自升式平臺圓柱樁腿局部沖刷的研究現(xiàn)狀,運用計算流體力學、泥沙運動力學、波浪理論等學科知識構建了一系列數(shù)值模型進行模擬研究,實現(xiàn)了樁腿的局部沖刷的模擬,并獲得了不同環(huán)境條件下的局部沖刷變化規(guī)律。研究成果能夠為自升式海洋平臺的安全評估、防護措施和結構優(yōu)化提供重要參考,具有較高的理論意義和工程實用價值。
[Abstract]:With the rapid development of our country , the demand of oil and gas energy gradually increases , and the oil and gas resources are gradually inclined to the sea as the long - term exploitation becomes scarce . At present , the exploitation of offshore oil and gas resources is mainly concentrated in the offshore , and the self - elevating offshore platform is an important tool for offshore oil and gas exploitation . In this paper , a series of numerical models , such as local scour model , wave model , wave - flow model and scour model , are studied in this paper . The work done in this paper is mainly divided into the following parts : ( 1 ) Literature investigation and analysis . The mechanism of local scour under the condition of one - way water flow and the research results of the former are summarized , and the results of local scour of the cylinder under different conditions are discussed . ( 2 ) The mathematical model and numerical calculation method used in the simulation are summarized . The mathematical models of simulation software , control equation and sediment transport model used in the study are summarized , and the experimental results of Roulund are compared with the simulation results , and the two turbulence models are preferred . ( 3 ) constructing and verifying the local scour model under the condition of one - way water flow , and constructing a cylindrical local scour model under the condition of one - way water flow , comparing the characteristics of the flow field around the cylinder and the simulated results of local scour with the experimental results of Melville , and verifying the reliability of the sediment transport model . ( 4 ) Construction of wave model and wave elimination research of pore structure . A series of three - dimensional wave model is constructed to study the wave - eliminating effect of pore structure in the model . ( 5 ) The combination model of wave current and its local scour model are constructed and verified . The joint action model of wave current and its scouring model are constructed . For the problem of non - conservation of fluid volume in the joint model of the wave flow , the outlet boundary is set as the pressure outlet boundary ; the experimental results of Van Rijn are used to compare the rationality of the vertical water flow velocity of the model , and compared with the experimental results of Qi , the reliability of the numerical model is verified under the condition of wave flow . ( 6 ) To study the regularity of local scour of the cylindrical pile legs of offshore platform under different conditions , and investigate the cause of accident , point out the connection between the local scour and accident of the platform pile legs , and analyze the influence factors on the local scour of the pile legs . In conclusion , this paper constructs a series of numerical models by means of computational fluid mechanics , mud - sand movement mechanics and wave theory to simulate the local scour of the self - elevating platform cylindrical pile leg , and realizes the local scour rule under different environmental conditions . The research results can provide important reference for the safety assessment , protection measures and structural optimization of the self - elevating offshore platform , and has higher theoretical significance and practical value .

【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE951

【參考文獻】

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本文編號：1421372