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《大连理工大学》 2014年
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海底滑坡过程数值模拟及其对管线的作用

田建龙  
【摘要】:长时间降雨或暴雨过后,在山区很容易见到泥石流和滑坡。滑坡、泥石流不仅在陆地上会发生,在水面下(海底)也会发生。与陆地滑坡不同,在极缓的坡度下(0.5-3°),海底滑坡都能发生。大规模的海底滑坡滑移距离往往长达数百公里,这会严重损坏海洋平台、海底管线、电缆等海底设施,并造成严重的经济损失。为了避免灾害和降低经济损失,研究和预测海底滑坡的滑动过程及海底滑坡对海底管线的作用有重要意义。 论文第一部分内容为模拟海底滑坡的滑坡过程。运用流体力学基本方程,如边界层近似理论、连续方程、动量方程、纳维-斯托克斯方程等,推导了Herschel-Bulkley及双线性(Bilinear)流变模型的控制方程及其差分格式。这些方程验证了一维海底滑坡模拟软件BING程序的准确性。之后,用ANSYS CFX与BING两款软件模拟了海底滑坡的运动过程,发现当泥浆抗剪强度越大时两款软件模拟的结果越接近。由于BING计算速度很快(普通计算仅需1~2分钟),对于抗剪强度大的泥浆,便可用BING模拟,这样可大大提高工作效率。 第二部分内容是研究海底滑坡对海底管线的作用。准确的预测海底滑坡对海底管线的作用力是海洋工程师关心的问题。海底滑坡对管线的冲击力通常采用传统的流体力学的阻力系数来描述。Zakeri (2009)使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)方法,数值模拟了5种冲击角度下,富含粘土的海底泥石流对管线的冲击。并且,Zakeri提出了任意冲击角度下,计算管线所受的法向阻力和纵向阻力的方法。Randolph和White (2012)用土力学的方法,对Zakeri(2009)的数值结果重新进行了分析处理,提出用一条失效曲线来计算任意冲击角度管线所受的冲击力。本文采用CFD数值分析重新模拟了Zakeri (2009)的计算工况,并增加了更多工况。根据模拟的结果,发现冲击角度对法向阻力系数影响很大,但对纵向阻力系数影响甚微。接着得到了改进的近似公式,该公式能更准确的估算任意冲击角度悬浮管线受到的法向和轴向冲击力。用土力学的方法对这些数值模拟结果也进行了重新分析,得到了新的失效曲线。土力学方法预测的力与CFD计算的力结果很接近。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:P756.2;P642.22

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【参考文献】
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