波流作用下海底管道立管底部局部沖刷的數(shù)值模擬項目摘要

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樁腿上爬的管道。由于平臺樁腿和立管對波浪潮流場的影響，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，有時長達(dá)數(shù)十米。在波浪運動產(chǎn)生的水平往復(fù)荷載和渦激振動產(chǎn)生的豎向往復(fù)荷載的長期作用下，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)費用，本研究擬用三維的波浪和潮流流場數(shù)值模型，結(jié)合泥沙運動數(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)的對策。

波流作用下孤立式建筑物基礎(chǔ)的局部沖刷問題是關(guān)系到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安全的重要課題。擬通過超大型波浪水槽實驗，探討波浪作用下建筑物周圍及床面的流場特性，對比分析黏性沙和無黏性沙床面沖刷坑形態(tài)及發(fā)展過程的差異，觀測沙波對沖刷坑的影響。搜集常規(guī)水槽試驗及現(xiàn)場沖刷深度實測資料，分析其與超大水槽試驗結(jié)果的差異及造成差異的原因，在此基礎(chǔ)上對以往沖刷深度計算公式進(jìn)行檢討和修正。開發(fā)波流共同作用下孤立建筑物周圍水流運動數(shù)值模型，藉此開展對建筑物周圍及沖刷坑內(nèi)三維流場特征的數(shù)值模擬；進(jìn)一步通過研究已有黏性和無黏性泥沙運動的理論成果，開發(fā)波流共同作用下的沖刷模型計算模塊，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)展過程。針對實際工程的典型情況，分析沖刷機(jī)理，提出相應(yīng)的防沖措施。

利用2014起動的國家自然科學(xué)基金面上項目（批準(zhǔn)號：51379143），開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，模型特色在于大大提高了追蹤自由界面的精度。（2）開發(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算公式，解決了運用數(shù)值模型進(jìn)行水流計算中群樁的概化問題；提出了淹沒度概念，實現(xiàn)了動邊界連續(xù)模擬。（3）提出了基于ISPH方法的局部沖刷數(shù)值模型，通過提出渾水粒子及泥沙起動概念，初步實現(xiàn)了從泥沙粒子轉(zhuǎn)化為渾水粒子的過程，解決了泥沙以懸沙形式運動情況下的沖刷過程模擬方法問題；泥沙起動條件計算中還考慮了底面坡度的影響。（4）針對Lin and Huang的四點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)行迭代計算；對于高階諧波，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)計算，其它未未知數(shù)用最小二乘法計算；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，且對于白噪不敏感，與Lin and Huang的方法相比無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）運用FLOW3D軟件模擬了圓柱周圍局部沖刷過程，重點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）開展了大水槽試驗，研究了波流作用下圓柱周圍局部沖刷過程，主要成果是從動力學(xué)和圓柱直徑方面均突破了以往的試驗尺度。（7）開展了水流作用下沙波發(fā)展過程研究，主要發(fā)現(xiàn)是在采用周期性邊界條件情況下，只要計算區(qū)域尺度足夠長，則可以得到與物理本質(zhì)一致的沙波長度結(jié)果。 2100433B

局部沖刷模型試驗研究內(nèi)容

（1）水流通過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巖石河床沖刷的情況。

（3）改善工程設(shè)計，研究防護(hù)措施 。

局部沖刷模型試驗研究特點

局部沖刷模型試驗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 。