考虑渗流影响的水沙两相紊流耦合模型在海底管线冲刷中的应用

Nowadays, the probability of offshore pipeline damage/leakage per 1000 km is 0.2% every year in the world, which caused pipeline fracture accidents by seabed scouring accounted for 44.3% of total accidents. These accidents not only cause huge economic loss and damage to marine ecological environment. This Projects to develop new image observation equipment: display turbulence image and swirling motion in the boundary layer. From microscopic aspect, the evolution mechanism of sediment starting, suspension and transporting can be found. To build the large-scale integration calculation software of three-dimensional model of seabed-pipeline, the influence of seepage on sediment motion, the interaction between water and sand, high content of sand on the influence of turbulence model are considered. We research the change rules of time and space of pipeline scour, suspended span, self-buried and the sediment transport mechanism, the control factors of sediment under the action of wave and flow. We also study the law of sediment exchange from microscopic aspect. The relative motion of two phase flow between sand and water, the sediment motion are revealed. The control factors of pipeline fracture are found. The project provide theory and calculation method for the research on pipeline scour. The project also provides the scientific basis and technical support for warning system of the disaster assessment and safety of seabed pipeline.

目前全球每1000km海底管线每年出现损伤/泄漏的概率为0.2%,而由于海床冲刷造成管线断裂的事故占总事故的44.3%。这些事故不但造成巨大的经济损失，且对海洋生态环境破坏严重。项目研制新型图像观测设备，显示紊流结构图像，观测边界层内的涡状运动，从细观角度揭示泥沙起动、悬浮、输移演变机制。开发大规模海底管线三维集成计算软件。考虑渗流力对泥沙运动的影响，考虑水沙相互作用、高浓度含沙率对紊流模型的影响，利用两相流模型对泥沙运动进行统一的描述，构建三维波流-沉积物-管线紊流耦合模型。研究管线冲刷、悬跨、自埋时空变化规律；研究波流和渗流作用下沉积物输移发生的机制、控制因素。揭示泥沙运动的细观机理；揭示水沙两相流动中的相对运动和相互影响；揭示管线失稳断裂的控制因素。为管线冲刷研究提供更新的理论和计算方法。建立海底管线的安全预警体系，为保证管线安全运营提供科学依据和实用方法。

目前全球每1000km海底管线每年出现损伤/泄漏的概率为0.2%，而由于海床冲刷造成管线断裂的事故占总事故的44.3%。这些事故不但造成巨大的经济损失，且对海洋生态环境破坏严重。管线周围床面的冲刷是造成管线安全事故的主要原因。在整个服役期中海底管线周围流场、压力场发生变化，进而引起下方海床的局部冲刷，管线悬空并在水动力作用下产生弯曲变形造成管线的断裂。项目开展土工模型实验，对波浪荷载作用下砂土、粉土海床孔隙水压力响应进行研究，分析海床孔隙水压力的变化以及海床的液化情况。建立包含流体、管线和可侵蚀海床的全耦合数值模型，对于一些影响管线局部冲刷和涡激振动的重要参数进行分析。对波浪荷载下立管以及海床的动态响应问题进行研究。研究流场在风荷载作用影响下的传播问题，提出强风巨浪作用条件下海洋流域的一般规律与响应。. 通过研究发现：（1）不同条件下粉土海床内孔隙水压力振幅变化曲线在表层海床区域有明显差别。（2）对于埋置深度较小的海底管道而言，海流引起的局部冲刷可以分为三个阶段：间隙冲刷、尾迹冲刷和平衡冲刷阶段。流速越大、埋置越深，直径越大，冲刷发展越快，平衡深度越大。（3）管道振动与局部冲刷的相互作用显著。随着管道下方冲刷深度的减小，管道振动逐渐减小。管道后方涡流的形状，强度和运动方向受冲刷剖面和沉积物堆形状的影响较大。（4）随着管线埋置深度增加，最大液化深度逐渐缓慢增加。随着管线间距增加，上游管线下方的液化深度基本没有变化，而下游管线下方的液化区域范围随着管线间距的增加而逐渐增大。（5）随着风荷载速度与风剪切系数的增大，波浪与立管基础的作用增强，立管周围更多的水花飞溅到空中，立管前的波浪爬升高度也随之升高。. 本项目的顺利实施，对于评估冲刷、液化状况，改善管线稳定性，进一步丰富海洋工程动力学内容，促进海上能源运输和海上风电场的建设，保证海洋能源可持续发展，具有极其重要的理论和工程现实意义。