粗糙底床上的波浪边界层及小直径管道波浪力的特性研究

摘要

海底管道的稳定性是管道设计、施工及服役期间的一个重要安全性指标。海底管道的稳定性主要取决于管道所受到的水动力荷载，而波浪力是管道水动力荷载的重要组成部分。
　　海底管道的波浪力特性与其周围流场特性密不可分，对于近底的小直径管道而言（如:管道直径D=5cm），管道可能淹没在波浪边界层内，对波浪边界层特性进行研究有助于分析小直径管道的受力特性。由于砂砾、碎石等介质的存在及海洋生物的附着，使得真实的底床往往具有一定的粗糙度（用糙率ks表示），因此，本文通过波浪水槽实验，以光滑底床为参照，针对粗糙底床上的波浪边界层特性进行了系统的研究。本文共设置了4种不同糙率的底床模型，相应的糙率ks分别为0cm（光滑）、2.65cm、5.28cm及6.78cm。糙率范围a/ks∈[0.1～10]，其中，口为波浪边界层外水质点水平振幅;波浪雷诺数范围Re*∈[300，50000]，Re*=Uma/v，其中，Um为边界层外水质点水平速度幅值，v为水体的运动粘性系数，v=1.0×10-6m2·s-1。
　　以往关于近底管道波浪力特性的研究工作大多是在平坦底床上进行的，然而，对于小直径管道而言，海底粗糙度是不可忽略的。因此本文以光滑底床为参照，针对粗糙底床上小直径管道的波浪力特性进行了系统的实验研究。管道雷诺数范围Re∈[300，5000]，Re=UmD/v;KC∈[10，40]，KC=UmT/D，其中T为波浪周期;β∈[70～180]，β=Re/KC。此外，本文还对波浪边界层特性与小直径管道波浪力特性之间的内在联系进行了分析。
　　针对波浪边界层特性的研究表明，相比于光滑平坦底床，粗糙底床上的边界层厚度将会增大，且边界层附近的湍流强度明显高于边界层外的流体;不同糙率底床上的雷诺切应力与流体平均切应力的量级相当。针对海底管道波浪力特性的研究表明，相比于光滑底床，粗糙底床上的管道竖向力有明显减小。综合分析波浪边界层特性与小直径管道波浪力特性发现，波浪边界层增厚是影响粗糙底床上小直径管道水平力的主要原因，而边界层的湍流特性可能是导致粗糙底床上小直径管道竖向力减小的原因。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 背景和意义

1．2 研究现状

1．2．1 波浪边界层的研究现状

1．2．2 海底管道波浪力的研究现状

1．3 本文工作

2 实验设置和分析方法

2．1 实验设置

2．1．1 实验模型和测量方法

2．1．2 工况设置

2．2 理论分析方法

2．2．1 实验数据的光滑处理

2．2．2 边界层速度剖面法

2．2．3 实验误差分析

2．2．4 本章小结

3 粗糙底床上的波浪边界层特性

3．1 波浪边界层厚度与底摩阻系数

3．2 湍流度

3．3 雷诺切应力

3．4 平均流体切应力

3．5 流量净输移

3．6 本章小结

4 粗糙底床上小直径管道的波浪力特性

4．1 粗糙底床上的波浪力系数

4．1．1 不同β数下的竖向力系数

4．1．2 不同β数下的水平力系数

4．1．3 小结

4．2 小直径管道上的波浪力与波浪边界层特性的内在联系

4．2．1 边界层厚度和速度剖面对波浪力的影响

4．2．2 边界层湍流特性对波浪力的影响

4．2．3 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢