海底管道与桩柱受力特性数值模拟

摘要

海底滑坡等地质灾害是引起海洋结构物（海底管线、桩柱等）破坏的主要原因之一。海底油气管道是深海油气输运的重要生命线，由于海底管道长距离输运，经历的海底地形崎岖、起伏变化大，海底管道容易形成局部悬跨段，而这些悬跨段所在的海沟、海槽等低洼区域往往是海底滑坡泥流的主要输运通道，严重威胁着管道的在位稳定性。海底滑坡泥流的流速极快，改变了周围水域的流动，极易造成影响区域内的海洋结构物的破坏。由于海洋结构物（桩柱）的存在，对水流的阻流作用，其周围流场发生改变，形成桩前水流下降、马蹄涡以及尾涡等现象，这些现象造成桩柱周围海床的局部冲刷，因此，对桩柱的稳定性提出了更高的要求。
　　目前关于地质灾害对海洋结构物影响的研究主要以模型试验和数值模拟(CFD)为主，其中模型试验是在岩土力学和流体力学两大理论的指导下研究流体与结构的相互作用，而数值模拟作为技术手段再现模型试验的结果，相互验证其可靠性和适用性。本文的研究主要是以有关文献的模型试验结果为依据，从数值模拟角度研究了海洋结构物与流体的相互作用，并将数值分析结果与实验结果进行了对比分析。
　　本文关于海洋结构物（海底管线、桩柱）与流体相互作用方面完成了以下工作:
　　1.在数值计算中采用赫巴模型模拟海底滑坡泥流，得到了与实验相近的结果，证明了计算模型的合理性，进一步优化了无量纲拖曳力系数与非牛顿流体雷诺数之间的关系，得到了管道拖曳力系数随非牛顿流体雷诺数的增大而减小的规律，研究了不同悬跨高度下管道拖曳力系数的变化，发现管道拖曳力系数随着管道悬跨高度的增大而增大，最后保持稳定;在Renon-Newtonian一定的情况下，存在临界悬跨高度比(H/D)Critical，在小于此值时，管道拖曳力系数随之增大，大于此值时，管道拖曳力系数保持稳定;给出了海底管道法向拖曳力系数与管道悬跨高度之间的关系，提出了更为合理的管道拖曳力计算方法;
　　2.采用三种湍流模型对桩柱周围流场的变化做了数值模拟分析，得到了与前人研究相近的结果，证明了计算模型和湍流模型的合理性，详细分析了群桩桩间距、湍流模型、床面类型及粗糙度、水流速度变化及其水深变化对桩柱周围流场变化的影响，得出以下结论:桩间距S/D＞4时，桩柱周围流场变化的相互影响越小;湍流模型对桩周流场分布影响较大;光床时桩周流速要比粗床时的大;床面粗糙度D/ks越小，对桩周靠近床面附近的流场分布影响越大;来流速度越大，桩前下降水流速度增大，桩前马蹄涡现象有增强趋势，桩前形成顺压梯度区;桩侧流速增大，发生流动分离，桩柱两侧分离角向后移动;桩后流速减小，形成逆压梯度区;桩前出现马蹄涡现象，桩前0.5D范围内受到马蹄涡的影响。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海底管道拖曳力系数的研究进展

1．2．2 桩柱周围流场的研究进展

1．3 本文研究内容

1．4 本文创新点

第二章 CFD的控制方程及计算方法

2．1 基本控制方程

2．1．1 连续性方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 能量守恒方程

2．1．4 不可压缩两相流的基本控制方程

2．2 湍流模型

2．2．1 湍流基本方程

2．2．2 湍流分析方法分类

2．2．3 常用模型简介

2．3 计算方法

2．3．1 有限差分法

2．3．2 有限体积法

2．3．3 有限元法

2．4 本章小结

第三章 海底泥流冲击海底管道的数值模拟

3．1 滑坡冲击荷载计算方法

3．2 数值模型

3．2．1 泥流流变模型

3．2．2 模型设定

3．3 数值计算

3．3．1 验证与对比

3．3．2 参数分析

3．4 本章小结

第四章 桩柱周围流场计算分析

4．1 湍流模型计算分析

4．1．1 计算域、网格剖分和边界条件

4．1．2 计算结果与分析

4．2 群桩流场计算分析

4．2．1 计算域、网格剖分和边界条件

4．2．2 计算结果与分析

4．3 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 本文主要结论

5．2 下一步研究工作的建议

参考文献

作者简历及在学期间所获得的科研成果