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海底管道后挖沟技术实验研究及数值模拟

孟然  
【摘要】:海底管道作为海上油气运输的大动脉,在海洋石油工程和经济建设中发挥着越来越重要的作用。为了对其保护,一般要进行挖沟埋设。在海底管道挖沟技术中,后挖沟技术最为常用,而喷射式挖沟机又是后挖沟技术中最常采用的挖沟机械。喷射式挖沟机一般装备大功率轴流泵,通过对海底土体进行射流冲刷来进行海底挖沟作业。近几年来,海底管道的管径不断增大,管沟深度也不断增加,原有的施工技术已很难满足要求。因此,研究不同因素对冲刷效果的影响,对水下挖沟机的优化设计和施工运行是十分必要的。本文通过模型实验和数值模拟研究,对影响冲刷效果的因素进行了实验和分析。 本文首先对前人的类似工作进行了总结整理,在广泛调研的基础上设计物理模型,并选择合适的泥沙作为实验底质,开展室内模型实验。通过测量冲沟断面和水中泥沙浓度的变化情况,研究了流速和挖沟机行进速度对挖沟效果的影响,并分析了冲沟从刚开挖至平衡状态这一时间段内的历时变化过程和变化原因以及平衡状态时冲刷断面的自相似性。试验结果表明,流速对冲沟深度的影响是有一定限度的;挖沟机的行进速度的变化对沟宽的影响明显要大于对沟深的影响;冲沟断面的历时变化过程可以分为两个阶段,分别由两种不同的原因导致。在喷管垂直向下的情况下,无量纲化后的冲刷断面具有很好的自相似性。但喷管角度改变后,断面的自相似性便不再与喷管垂直时的情况相同。 利用FLOW-3D软件进行喷射冲刷模拟。首先运用FLOW-3D中的沉积物冲刷模型,对该模型中的相关参数进行敏感度分析,进而确定相关参数,建立冲刷模型;接着利用该软件模拟清水条件下的定点射流,研究喷射水流的水动力特性;最终进行定点冲刷和移动冲刷模拟,并观测到了喷口处流场的形状和流场的变化趋势,同时也得到了冲刷时的悬沙浓度分布及底沙冲刷状况。


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