斜向波浪作用下海底管道周围的泥沙输移机制及三维冲刷研究

海底管道是海上油气田开发中油气传输的主要方式，一旦失事将造成重大的经济损失和环境灾难。海床运动和波、流冲刷是海底管道失效的主要原因。本项目首先在波浪水槽中采用具有代表性的原型沙分别铺设平底和1:30坡度的海床，在平铺和半埋两种管道埋置方式下改变管道轴线与波向的夹角分别进行实验，探讨斜向波浪作用下海底管道附近的水动力特性和海床动力响应对泥沙运动的影响；然后在港池中采用长管道进行相同参数的三维实验，并改变波向与坡面交角，探讨长管道弯曲变形、下沉与三维冲刷的关系。将水波动力学、海洋土力学和泥沙动力学相结合分析泥沙运动机理，得到相应的输沙率和床面切应力计算方法，开发基于曲线坐标、非结构化网格、高精度自由面追踪技术的固液两相流三维有限元水沙数学模型。综合实验、计算和理论分析结果，得到斜向波浪作用下海底管道周围泥沙输移机制、三维冲刷演变规律、管道变形与冲刷过程关系，为海底管道的建设提供理论支撑。

海底管道是海上油气开发系统的重要组成部分，一旦失事将造成重大的经济损失和环境灾难。在复杂的海洋环境中，管道附近会出现局部冲刷从而导致管道悬空，进而引起管道疲劳破坏甚至断裂。由于波浪传播方向，海底地形等原因，管道，海岸与波浪传播方向之间常存在一定的夹角，导致管道附近床面的三维变化。因此准确预测斜向波浪作用下海底管道附近床面形态变化和管道受力变化具有重要的科学价值和实际意义。.首先通过平底定床和动床水槽实验，利用三维流速仪和三维地形仪对不同作用角的水流、波浪或波流耦合作用下管道周围流速剖面和三维地形进行精细测量，并基于 N-S 方程，耦合 DES 紊流模型建立了三维水动力数值模型，研究了管道周围的三维水动力特性及其局部三维冲淤演变规律，发现不同水动力作用下管道周围水流结构呈现明显的时空分布差异；分析了水动力特性结构关键影响因素和不同水动力条件下海底管道附近床面冲淤过程；通过管道局部冲刷平衡深度影响因素的量纲分析，建立了影响因素较为全面的水流及波浪作用下冲刷平衡深度经验公式，并得到实测资料验证。.然后在波浪水槽中采用中值粒径0.38mm原型沙铺设1:15坡度的底床模型进行试验研究，采用外径为50mm的PVC管模拟管道，测量波浪作用下不同管道位置的床面形态。通过测量和计算管后冲刷坑深度、沙坝和沙坑到坡脚的距离，分析管道位置对沙质斜坡海床上床面形态演变的影响规律。 .而后在港池中进行了平底定床和动床实验，通过改变管道与波浪传播方向的夹角，探讨了管道表面点压力的变化情况，分析了周期、波高及间隙比对管道所受水平波浪力和垂向波浪力的影响。考虑不同波要素、不同波浪入射角、不同管道埋深对管道冲刷和受力的影响，分析了管道附近床面形态历时变化情况、管道受力历时变化情况以及管道下方沿程压力的分布规律。.最后在波浪港池中采用中值粒径为0.219mm的原型沙铺设与波浪传播方向呈45°夹角的斜坡，斜坡坡度为1：15。考虑不同波要素、不同管道布置方向、不同埋深时海底管道受力特性和三维冲刷的变化情况，分析了管道周围水动力特性、管道的局部受力和整体受力、海床形态演变、三维冲刷发展过程和形状特性以及泥沙输移机制。.研究成果可为海底管道的建设提供理论支撑。