海底管线局部冲刷机理及数值模拟研究

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。本研究旨在通过实验研究海底管道周围局部冲刷的机理，分析影响冲刷的主要因素，揭示最大冲刷深度和冲刷范围与流场的关系；分析海床渗透性对冲刷的影响；并建立一个垂向二维的数值模型模拟海底管线周围的冲刷，从而可替代部分物模实验研究，为海底管线周围的冲刷范围和深度预测提供科学依据和计算方法。

结构物处于海洋环境中时，结构物的存在会改变其周围的流场；这种流场的改变会引起泥沙的输运并直接导致结构物周围的局部冲刷，危害结构物的稳定。本项目研究了波流作用下海底管线周围的冲刷通过实验和数值模拟两种手段。在波流水槽中，进行了多组实验。测量了海底管线周围的速度场的分布、压力场的分布、最终的冲刷深度以及泥沙浓度。在测量推移质泥沙量时，设计了独特的泥沙收集装置。通过分析实验数据，研究总结了海底管线周围的冲刷机理，在此基础上，作者开发了一个垂向二维数值模型来模拟海床的运动，该模型通过求解RANS方程来模拟水流的运动，以vof法追踪自由表面，采用紊流模型模拟流场，得到海床的壁面剪切力，根据冲刷起动原理判断海床是否起动，结合推移质输沙模型得到分析区域的输沙率，由冲刷模型得到新的海床形态，在此基础上进行下一次的分析，直到海床稳定。数值模拟考虑了砂质海床渗透性对冲刷的影响，并探讨了以孔隙率的不同来定义水-沙界面的可能性。项目分析总结了影响冲刷的关键因素，提出了海底管线悬跨段的防护措施。经过多次分析测试，该数值模型可以替代部分物模实验，可大量节省时间和资金，具有重要的经济价值。