复杂条件下海底管道局部冲刷和仿生水草缓流促淤细观过程及机理研究

Local scouring of seabed around submarine pipelines and sand depositing over artificial seaweed patches involve complicated mesoscopic dynamic processes, such as the piping process of seabed discrete sand grains under seepage pressure and the depositing process of approaching sand grains over and inside artificial seaweeds. However, these mesoscopic dynamic processes, which have significant influences on macroscopic features of seabed scouring and pipeline spanning, eg., the depth and size of scour pits and the length and develop velocity of spanning, have been overlooked in most of the research studies, due to the inability of available measurement technology. This will inevitably lead to the large variation of the research results and discrepant opinions on critical problems. In the proposed research, a fully-coupled transport model for discrete sand particles in turbulent flow will be developed by using the LES-ppIBM-DPM method in order to investigate the meso-processes and mechanisms of submarine pipeline local-scouring and artificial seaweed sand-depositing under complicated conditions. A series of numerical simulations, together with corresponding laboratory model tests, will be carried out to investigate the piping-scouring-spanning-self-bury mesoscopic process and the evolution of seabed scouring and pipeline spanning. Then, the interactions between seabed scouring and small-scale sand wave evolution will be studied. After that, the turbulent flow inside and outside artificial seaweed canopy will be looked into and the interaction between the inner flow, outer flow and the wave-like swing motions of seaweed canopy will be investigated. Finally, the depositing process and its dynamic mechanisms of approaching sand grains over and inside artificial seaweeds will be studied.

海底管道局部冲刷和仿生水草缓流促淤涉及复杂的细观动力过程，如管道底部离散泥沙颗粒在渗流压力作用下的管涌过程和上游来沙颗粒在仿生水草中的落淤过程等。然而，限于研究手段的不足，以往的研究多关注宏观过程，如冲刷坑的深度和范围、悬跨段的长度和发展速度等，对细观动力过程研究不深入，造成了宏观结果的离散性较大，部分问题认识上有分歧。本项目针对复杂条件下海底管道局部冲刷和仿生水草缓流促淤的过程，拟建立基于LES-ppIBM-DPM方法的离散泥沙颗粒输运全耦合模型，并结合物理模型实验，从细观尺度研究海底管道初始管涌—冲刷—悬跨—自埋的动力过程，考察海底管道局部冲刷和悬跨发展过程，研究小尺度海底沙波演变与管道局部冲刷之间的相互作用。研究仿生水草冠层内、外部流动，及其与冠层波浪状倒伏运动之间的相互作用，研究离散泥沙颗粒在仿生水草内部及其周边的落淤过程，从细观尺度研究仿生水草缓流促淤的动力机制。

海底管道局部冲刷和仿生水草缓流促淤涉及复杂的细观动力过程，如管道周围的复杂的流场结构与周围海床冲淤演变之间的相互作用，湍流边界层内的多尺度漩涡结构与细长柔性仿生水草之间的相互作用，以及仿生水草的缓流效应与管道局部冲淤之间的相互影响等问题。然而，限于研究手段的不足，以往的研究多关注宏观过程，如管道冲刷坑的深度、范围和发展速度以及植被群的缓流促淤特征等，对细观动力过程研究不深入，造成了宏观结果的离散性较大，部分问题认识上有分歧。本项目针对复杂条件下海底管道局部冲刷和仿生水草缓流促淤的过程，建立了基于LES-ppIBM-DPM方法的离散泥沙颗粒输运全耦合模型和基于向量式有限元方法的结构动力模型，并结合物理模型实验，从细观尺度研究了海底管道初始管涌—冲刷—悬跨—自埋的动力过程，发现：当来流倾斜角度较小时，管道局部冲刷坑对称展向开展，且表现出快速开展阶段和缓慢开展阶段，跨肩处的螺旋来流是悬跨发展的主要原因，而当来流倾斜角度较大时，管道局部冲刷坑不对称展向开展，但没有表现出明显的阶段特征，来流的展向速度分量逐渐取代螺旋来流成为悬跨发展的主因；研究了小尺度海底沙波（沙纹）演变机制及其与管道局部冲刷之间的相互作用，给出了沙纹发育条件下管道自埋的发生条件，发现：沙纹形状阻力分布与沙纹形状起伏之间呈负相关关系，沙纹发生合并时，输沙率陡增与此时的波高减小，波长增加，沙纹形状阻力减小有关。研究了仿生水草冠层内、外部流动特征及其与冠层波浪状倒伏运动之间的相互作用，发现：随着无量纲刚度的增大，单株仿生水草呈现出四种不同的运动模式，植被群的运动由水平方向上的α和β模式和竖直方向上的MONAMI模式构成，植被密度越大，掺混层内的速度分布越接近于双曲正切律；研究了仿生水草周围以及内部的冲淤演变过程，发现：随着水流强度的增加，仿生水草周围的局部冲刷依次出现不冲刷、局部冲刷和动床平整三个阶段，当发展于植被冠层顶部的K-H涡的入侵深度接近植被高度时，K-H涡对近床面区域的水流结构和切应力分布影响显著。给出了仿生水草缓流促淤的优化相对草高和植株密度，从细观尺度研究仿生水草缓流促淤的动力机制。