海底管道的阻力危机现象暨高雷诺数边界层转捩研究

As the critical links between subsea production wells and processing facilities (either onshore or offshore), offshore pipelines attract substantial attention in the past decades. Suffering from local scour under the complex current and wave conditions, pipelines spanning would lead significant damage economically and environmentally. It is critical to ensure the safety of subsea pipelines for any offshore and gas development. In this project, Drag Crisis phenomenon and boundary layer transition to turbulence will be investigated through numerical and experimental methods. The influence of gap ratio, boundary layer thickness, incoming turbulence, inclined angle, Keulegan–Carpenter number and Reynolds number will be discussed further. The connections between hydrodynamic forces and boundary layer transition are the core topic in the project. The results in the project will provide scientific and technical support for the design and construction of subsea pipelines.

作为联系海底井口与路上终端之间的重要输运设施，海底管道在复杂海洋水动力条件的作用下，极易因为局部冲刷产生的管道悬跨带来严重的损害，这将给海洋油气生产企业带来巨大的经济损失，甚至会引起严重的海洋环境污染。本项目将通过物理实验与数值模拟的有机结合，研究均匀流、振荡流及二者作用下近壁管道的阻力危机现象以及高雷诺数下边界层转捩问题。探究中将考虑间隙比、边界层厚度、湍流度、来流攻角、KC数以及Re数等因素多种因素对近壁管道高雷诺数边界层转捩现象的影响机理。重点研究边界层转捩时流场结构与管道水动力学系数之间的依赖关系，建立近壁管道受力与多种影响因素之间的定量关系，发展近壁管道在位稳定性快速工程化预报方法，从而为管道的设计、施工及安全服役提供有力的科学依据及技术参考。

作为联系海底井口与路上终端之间的重要输运设施，海底管道在复杂海洋水动力条件的作用下，极易因为局部冲刷产生的管道悬跨而发生损害，这可能会造成巨大的经济损失，甚至会引起严重的海洋环境污染。本项目主要通过物理实验与数值模拟相结合，研究均匀流、振荡流及二者作用下近壁管道的阻力危机现象以及高雷诺数下边界层转捩问题。探究了间隙比、边界层厚度、湍流度、来流攻角、KC数以及Re数等多种因素对近壁管道高雷，诺数边界层转捩现象的影响，建立了近壁管道受力与多种影响因素之间的定量关系。研究中还发现，竖直壁面与圆柱交界区域形成的三维流动结构受间隙比的影响较大。在间隙比和雷诺数的影响下，观察到高度三维流动结构(即马蹄涡的振荡)。垂直壁面诱导的端部效应在圆柱展向、上游0.5 D和下游3D范围内被限制在0.7 D以内。端部效应的程度对间隙比、雷诺数不敏感。本项目还研究了高雷诺数情况下，间隙比、来流湍流强度方柱绕流问题，还通过三维大涡模拟研究了平面边界方柱的定常绕流。通过分析近壁面方柱周围的水动力特性，总结了高雷诺数下间隙比的影响。量化了平面边界对压力分布和平均水动力特性的影响。此外，本项目还发展了近壁管道在位稳定性快速工程化预报方法，建立了二维有限元数值模型来预测稳定流中振动海底管道周围的局部冲刷，研究了稳定流中方形截面多孔单桩周围的局部冲刷，揭示了二次冲刷现象，从而为管道的设计、施工及安全服役提供有力的科学依据及技术参考。本项目取得成果包括SCI论文7篇（6篇JCRQ1，1篇JCRQ2）、发明专利7项（申请及获批）、软件著作权4项（全部已获批），1项专利（项目负责人为第一发明人）已经实现初步试用并产生效益，培养硕士研究生4名及博士研究生1名，参加线下国际国内重要学术会议3次及多次线上学术研讨。