波流作用下海底管道立管底部局部沖刷的數(shù)值模擬

海底管道是從海上輸送石油和天然氣的高效經(jīng)濟(jì)的手段，立管是海底管道沿海上平臺(tái)樁腿上爬的管道。由于平臺(tái)樁腿和立管對(duì)波浪潮流場(chǎng)的影響，破壞了自然的沖淤平衡，造成了樁腿和立管基礎(chǔ)的局部沖刷，使立管連接水平管道的部分逐漸懸空，且沖坑不斷沿水平管道軸向發(fā)展，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米。在波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水平往復(fù)荷載和渦激振動(dòng)產(chǎn)生的豎向往復(fù)荷載的長(zhǎng)期作用下，這種懸空的管道極易產(chǎn)生疲勞破壞，造成油氣泄露、油田停產(chǎn)，并引發(fā)海域大面積生態(tài)污染等嚴(yán)重后果。為了避免立管基礎(chǔ)的局部沖刷，明確沖刷形態(tài)，增加海底管道的安全可靠性和節(jié)省管道工程維護(hù)費(fèi)用，本研究擬用三維的波浪和潮流流場(chǎng)數(shù)值模型，結(jié)合泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型，研究海底管道立管底部局部沖刷的機(jī)理，并探討相應(yīng)的對(duì)策。

波流作用下孤立式建筑物基礎(chǔ)的局部沖刷問(wèn)題是關(guān)系到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安全的重要課題。擬通過(guò)超大型波浪水槽實(shí)驗(yàn)，探討波浪作用下建筑物周圍及床面的流場(chǎng)特性，對(duì)比分析黏性沙和無(wú)黏性沙床面沖刷坑形態(tài)及發(fā)展過(guò)程的差異，觀測(cè)沙波對(duì)沖刷坑的影響。搜集常規(guī)水槽試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)沖刷深度實(shí)測(cè)資料，分析其與超大水槽試驗(yàn)結(jié)果的差異及造成差異的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)以往沖刷深度計(jì)算公式進(jìn)行檢討和修正。開(kāi)發(fā)波流共同作用下孤立建筑物周圍水流運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型，藉此開(kāi)展對(duì)建筑物周圍及沖刷坑內(nèi)三維流場(chǎng)特征的數(shù)值模擬；進(jìn)一步通過(guò)研究已有黏性和無(wú)黏性泥沙運(yùn)動(dòng)的理論成果，開(kāi)發(fā)波流共同作用下的沖刷模型計(jì)算模塊，藉此研究不同KC數(shù)下孤立建筑物周圍的沖刷坑形態(tài)及沖刷坑深度發(fā)展過(guò)程。針對(duì)實(shí)際工程的典型情況，分析沖刷機(jī)理，提出相應(yīng)的防沖措施。

利用2014起動(dòng)的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51379143），開(kāi)展了波流作用下樁柱周圍局部沖刷研究。取得以下主要成果：（1）開(kāi)發(fā)了基于自適應(yīng)網(wǎng)格的三維CFD模型，建立了數(shù)值波浪水槽，模擬了樁柱周圍的流場(chǎng)，模型特色在于大大提高了追蹤自由界面的精度。（2）開(kāi)發(fā)了基于三角網(wǎng)格有限體積法的二維水流數(shù)學(xué)模型，模型采用高精度界面通量計(jì)算格式，可以高精度捕捉間斷，提出了群樁阻力及等效水深計(jì)算公式，解決了運(yùn)用數(shù)值模型進(jìn)行水流計(jì)算中群樁的概化問(wèn)題；提出了淹沒(méi)度概念，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)邊界連續(xù)模擬。（3）提出了基于ISPH方法的局部沖刷數(shù)值模型，通過(guò)提出渾水粒子及泥沙起動(dòng)概念，初步實(shí)現(xiàn)了從泥沙粒子轉(zhuǎn)化為渾水粒子的過(guò)程，解決了泥沙以懸沙形式運(yùn)動(dòng)情況下的沖刷過(guò)程模擬方法問(wèn)題；泥沙起動(dòng)條件計(jì)算中還考慮了底面坡度的影響。（4）針對(duì)Lin and Huang的四點(diǎn)法波浪入反射分離的方法僅適用于弱非線性波浪的情況，提出了一種適用于淺水強(qiáng)非線性入反射分離的方法。對(duì)于方法中一階諧波的波數(shù)、振幅及相位角用非線性最小二乘法進(jìn)行迭代計(jì)算；對(duì)于高階諧波，其自由和約束波的波數(shù)分別采用線性色散關(guān)系及一階諧波波數(shù)的倍數(shù)計(jì)算，其它未未知數(shù)用最小二乘法計(jì)算；采用自相關(guān)函數(shù)確定基本波周期。方法的效率和精度通過(guò)數(shù)值算例進(jìn)行了展示，表明所提出的方法魯棒性很好，且對(duì)于白噪不敏感，與Lin and Huang的方法相比無(wú)需借助非線性色色散關(guān)系確定波數(shù)。最后還將方法拓展到斜向入射情況。（5）運(yùn)用FLOW3D軟件模擬了圓柱周圍局部沖刷過(guò)程，重點(diǎn)討論了柱后尾渦頻率與柱體直徑以及沖刷深度的相關(guān)性。（6）開(kāi)展了大水槽試驗(yàn)，研究了波流作用下圓柱周圍局部沖刷過(guò)程，主要成果是從動(dòng)力學(xué)和圓柱直徑方面均突破了以往的試驗(yàn)尺度。（7）開(kāi)展了水流作用下沙波發(fā)展過(guò)程研究，主要發(fā)現(xiàn)是在采用周期性邊界條件情況下，只要計(jì)算區(qū)域尺度足夠長(zhǎng)，則可以得到與物理本質(zhì)一致的沙波長(zhǎng)度結(jié)果。 2100433B

局部沖刷模型試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

（1）水流通過(guò)水工建筑物消能工后，其剩余能量導(dǎo)致下游河床沖刷的情況。

(2）水流建筑物下泄急流對(duì)巖石河床沖刷的情況。

（3）改善工程設(shè)計(jì)，研究防護(hù)措施 。

局部沖刷模型試驗(yàn)研究特點(diǎn)

局部沖刷模型試驗(yàn)要求模型與原型水流相似，并選擇合適的下游河床模型材料 。