攻角来流-海底管道-倾斜砂质海床的流-管-土耦合作用机理研究

Submarine pipeline is the lifeline of the offshore oil and gas field, its safe and reliable operation is the fundamental guarantee of the normal production, the occurrence of pipeline damage, not only will result in significant economic losses, but also cause serious environmental disaster. With the increasing interest in the South China Sea deep-water petroleum production, the unprecedented opportunities and challenges are provided for the research on submarine pipeline. As we know, the topography of the South China Sea is complex; there is a lot of undulating terrain areas, pipeline will be inevitably placed tilted upon the seabed. When a submarine pipeline is laid upon slope seabed and subjected to ocean current with an angle of attack, what phenomena of the local scour below the pipeline and Vortex-Induced Vibration (VIV) will be appeared ? Up to now, it is deficient in understanding this issue in engineering fields and the academic circles. The previous studies mostly assume that the seabed is flat and the flow direction is perpendicular to the submarine pipeline axis. In order to overcome these shortcomings, this program will study the fluid-pipeline-soil interaction mechanism between current with an angle of attack-submarine pipeline-slope sandy seabed, mainly focus on the effect of angle of attack of the current and slope degree of seabed on the local scour and VIV, analyze the occurrence mechanism, provide the necessary theoretical guidance and technical support for submarine pipeline scour protection and Vortex-Induced Vibration suppression.

海底管道被称为海洋油气田开发的生命线，它的安全可靠运行是海上油气田正常生产的根本保证，一旦发生破坏，不仅会造成大量的经济损失，还会引发严重的环境灾难。伴随近期南海油气开采步伐的加快，我国海底管道的相关研究和工程建设迎来了前所未有的契机和挑战。南海海底地形复杂，存在大量的地势起伏区域，管道的铺设不可避免的会置于倾斜海床之上。在一定攻角来流作用下，倾斜砂质海床的管道局部冲刷和涡激振动会呈现出何种特性呢？学术界和工程界对此问题的认识还存在诸多未知，以往的研究大多假设海床床面平坦，来流方向垂直于海底管道轴向。针对上述不足，本项目拟定研究攻角来流-海底管道-倾斜砂质海床的流-管-土耦合机理，重点分析来流的攻角，海床的倾斜度对海底管道局部冲刷和涡激振动特性的影响机理，探索局部冲刷和涡激振动的发生机制，为海底管道的冲刷破坏防护及涡激振动抑制提供必要的理论指导和技术保障。

海底管道的安全运行对海洋油气开采和输运具有重要意义。海流作用下管道周围土体会出现冲刷和掏空现象，以及伴随而来的涡激振动(VIV)是造成结构疲劳破坏的重要诱因。. 本项目采用数值模拟、模型实验和理论分析等多种研究方法，深入分析了海底管道局部冲刷和涡激振动的发生机制。对海流-海底管道-砂质海床土体的流-固-土多场耦合问题进行了数值模拟，探索了泥沙的启动淤积、流场的涡旋形态以及管道周围流体力分布特性。开展了物理模型试验，揭示了外界来流作用下，海底悬跨管道VIV的振动特性；观测了攻角来流对柔性圆柱结构横流向/顺流向耦合VIV的影响规律；探索了端部土体支撑条件对悬跨管道VIV的作用机制。基于尾流振子模型，考虑质量比、阻尼比和雷诺数的影响，提出了纯顺流向涡激振动和横流向/顺流向耦合涡激振动的预报理论模型；分析了管道悬跨长度、轴向力和管内流速等多种因素对海底悬跨管道VIV的影响规律；采用DNV规范和P-y曲线模拟边界管土耦合作用，构建考虑流-管-土多场耦合作用的理论模型，进一步分析了边界土体对海底悬跨管道涡激振动的作用机制。. 研究结果表明：受海流冲刷作用，泥沙颗粒的启动、运移和沉降是造成海底管道底部冲刷坑形成的重要原因；悬跨段出现后，管道后缘会出现交替脱落的漩涡，诱发涡激振动；悬跨管道横流向VIV的响应幅值比顺流向大，但振动频率更小，测点的运动轨迹呈“8”字形,“泪滴形”，“椭球形”和“口唇形”等多种形式；管道振动的流体力系数（附加质量系数、脉动阻力系数和升力系数）具有沿轴向分布不均的特点；在较小来流攻角的条件下，VIV的不相关原则成立，而攻角较大时，不相关原则不再成立；悬跨管道两端约束越剧烈，悬跨长度越短，轴向力越大，管内流速越小，管道的高阶固有模态越难被激发；对于多跨管道的涡激振动，振动能量会在相邻管跨之间传递；跨肩土体越坚硬，管道嵌入土体越深，悬跨管道越难发生纯顺流向涡激振动；考虑雷诺数影响的尾流振子模型能够提高其对涡激振动预报的准确性；并列双圆柱的间距比对管道模型的涡激振动具有重要的影响。. 本基金项目的研究成果可为海底管道的抗冲刷和涡激振动抑制提供科学的理论依据，有利于保障海底油气资源输送管道的安全运行，具有十分重要的工程意义。