海底管线冲刷悬空扩展与涡激振动诱发机理研究

海底管线是海洋石油天然气开发中的重要组成部分。冲刷三维扩展以及悬跨段涡激振动是引起管线破坏的主要原因。目前的研究者多是将管线局部冲刷和悬空段涡激振动作为相互独立的问题开展研究的，不能很好地反映二者之间的耦合作用和紧密关联。本项目将对这一复杂的流体-结构-海床之间的耦合作用问题开展深入研究。通过模型试验，对海底管线冲刷三维扩展过程中的流场结构、海床演变和管线动力响应进行多物理参数同步测量。研究影响冲刷扩展的主要因素，特别是考虑了管线存在变形和振动等情况的影响，并揭示冲刷扩展的流动机理。对冲刷扩展过程中管线出现涡激振动和自埋效应等不同结构形态的发生条件进行判别。并针对悬空管线的涡激振动特性进行深入研究，建立涡旋结构模式与管线振动特性之间的关系，揭示涡激振动的诱发机理，为涡激振动抑制研究奠定理论基础，最后确定管线悬空的临界长度。本项目研究将为海底管线的工程设计和科学研究提供重要的参考依据。

局部冲刷悬空以及悬空段的涡激振动是造成海底管线破坏的重要原因，它包涵着一系列复杂的流固土耦合问题，涉及到了环境荷载变化、海床土质及埋设深度、管道材料特性等众多因素影响。由于管线局部冲刷问题的复杂性，对于悬空段端部的三维冲刷以及冲刷沿管道的扩展还很少见，尤其是波浪以及波流共同作用的情况。对于某些特殊结构形式的管道束，比如子母管结构，由于附加子管的存在，改变了周围流场特性，将对其动力响应特性产生重要影响。此外，管道走向与环境荷载的角度、海床的近壁面效应的都会影响管道涡激振动的发生和发展。. 本项目从以下三个方向对海底管道局部冲刷及涡激振动问题展开研究：. 1）开展波浪及波流共同作用下砂质海床上海底管道三维冲刷扩展模型实验，对管道三维冲刷机理及扩展规律进行分析，并建立波浪及波流共同作用下的管道三维冲刷扩展经验模型。研究发现：波浪作用下的管道三维冲刷几乎以一个稳定的速率扩展，这主要是由于水流通过管道与悬跨端部的狭缝引起的二维冲刷效应引起的。 对于具有一定作用角度的情况，由于波浪的周期性作用，冲刷扩展在管道顺流与逆流两个方向速率保持相等。冲刷扩展速率随着埋设厚度的增加而减小，随着波浪KC的增加而增加，随着荷载作用角度的增加而减小。对于波流共同作用的情况，冲刷扩展速率则随波浪水流速度比的增加先减小而后逐渐增大。. 2）对海底子母管结构尾流场进行定量测量，分析海底管道尾迹涡变化规律及其与管线涡激振动响应的关系，研究海底管道涡激振动抑制机理。利用PIV技术对水槽中近壁面处的子母管结构的尾流场进行了定量测量。基于量纲分析理论，应用旋流强度（swirling strength）对尾涡脱落强度及频率进行分析。在子母管间距G/D = 0.05 ~ 0.2的范围内，子管对母管的涡脱落抑制效果最明显；并进行模型实验研究了阻尼质量比、子母管间距以及相对角度等结构参数对涡激振动的影响。. 3）研究斜向海流作用下近壁面海底管道涡激振动特性以及冲刷海床上海底管道的涡激振动临界速度，并确定管线悬空的临界长度。研究结果表明：近壁面的管道在加速水流和减速水流下的振动存在一个迟滞效应，对应的临界流速也发生改变。壁面对于涡激振动的发生具有一定的抑制作；随着水流作用角度的增加，管道越不容易发生振动；冲刷海床对于管道起到保护作用，管道振动的临界速度也相应增大。