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波浪作用下的泥沙起动及海底管线周围局部冲刷

夏令  
【摘要】:海底管道作为一种从近岸平台向陆地输送油气的载体,由于其输送连续、输送量大、管理方便等优点,在海洋工程中得到了广泛的应用。然而,海底管道所处的海洋环境一般非常恶劣,在波浪、潮流等水动力作用下,管道附近底沙极易发生搬运、侵蚀,从而导致海底管道冲刷悬空,失去稳定性,引发断裂等破坏事故,造成巨大的经济损失和环境污染。 本文基于大型波浪水糟试验,对波浪作用下海底管线的冲刷稳定性进行了探讨。 首先,本文简要回顾了描述推进波运动的各种波浪理论,对微幅波和Stokes二阶波的水质点运动轨迹速度进行了分析,并给出了LeMehaute(1970)绘制的各种波浪理论适用范围分析图,以此作为本文模型试验结果分析中采用Stokes二阶波浪理论的依据。 其次,对于海底冲刷侵蚀中的关键问题——泥沙起动问题进行了讨论。泥沙的起动条件是指泥沙发生运动的临界水动力条件。波浪作用下的泥沙起动问题是泥沙研究中的前沿课题,至今为止,绝大多数的起动准则都是基于试验结果而获得的,不具备普遍适用性。本文根据C.C.Mei和M.A.Foda在1981年提出的边界层理论,分析了边界层内波浪渗流产生的渗透力泥沙起动的影响,以希望能在理论上完善波浪作用下的泥沙起动准则。 再次,进行了波浪水槽物理模型试验,研究了多种不同工况组合下,海底管线周围的局部冲刷。观测并描述了冲刷发生发展的物理过程,测量了管道底部的冲刷深度,通过对试验数据的拟合分析,得到了无因次冲刷深度与KC数之间的一般规律性。 然后,本文利用VOF法和标准k-ε湍流模型数值模拟了波浪作用下平底固壁底床上的剪切应力,计算结果表明管线的存在对其附近局部范围内的流场产生了较大的影响,使得壁面剪切应力迅速上升。 最后,本文对目前国内外常用的海底管线冲刷保护技术进行了介绍。


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