海底管道局部冲刷耦合动力过程的实验与数值模拟研究

Submarine pipelines are the important transport facilities to conduct the exploitation of marine oil and gas resources. The pipelines placed on the seabed are more likely to suffer local scour, pipeline spanning and vibration damage under complex hydrodynamic conditions such as currents and waves which may cause great economic losses for the oil and gas production companies and serious pollution of the marine environment. Through the combination of experiment and numerical simulation, the subject of local scour will be investigated under waves, currents and combined waves and currents. The effects of flow conditions (Flow speed and direction), geometric characteristics of the pipeline and buried depth on the occurrence and development of the local scour and extreme equilibrium status will be studied. Great efforts will be given to study the physical mechanism involved in the coupled dynamic processes between the dynamic response of vortex-induced vibration of the pipeline and local scour. Meanwhile, the effects of the coupled dynamic processes on the propagation velocity of local scour, length of free span and equilibrium profile will be investigated which will provide scientific evidence and technical support for the design, construction and safety service of the marine pipelines.

海底管道是进行海洋油气资源开发的重要输运设施。铺设于海底的管道在水流和波浪等复杂海洋水动力条件的作用下，极易发生局部冲刷、管道悬空和振动破坏，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，研究波浪、水流以及波流联合作用下海底管道的局部冲刷问题。研究中将考虑水动力条件(流速及流向)、管道几何特征、管道初始埋深等多种因素对局部冲刷的发生条件、发展过程以及极限平衡状态的影响作用。重点研究管道的涡激振动动力响应与局部冲刷的耦合动力过程的物理机制，并分析耦合动力过程对冲刷扩展速率、极限悬跨长度和平衡冲刷剖面的影响作用，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。

铺设于海底的管道，在波浪和水流等复杂水动力条件作用下，极易发生局部泥沙冲刷，致使海底管道发生悬空。在周期性流体作用力下，悬空的海底管道会发生涡激振动，诱发疲劳破坏。管道的涡激振动会进一步影响泥沙输运过程，进而影响管道的局部冲刷。泥沙局部冲刷引起的管道悬空以及管道振动都会危及管道的安全。一旦管道发生破坏，不但会造成巨大的经济损失，还会引起严重的环境污染。. 本项目建立了可综合考虑波浪自由表面-管道涡激振动-泥沙输运-底床变形的通用有限元湍流数值实验水槽，基于任意拉格朗日-欧拉方法，对波浪自由表面、管道涡激振动及底床变形所引起的不确定性界面进行了实时捕捉。利用上述数值分析模型，针对圆柱结构流固耦合问题、海底管道局部冲刷与涡激振动耦合动力过程开展了深入细致的研究工作，对流固耦合、传质输运及湍流特征等形成了诸多新的认识。通过物理模型试验，获得了海底管道局部冲刷平衡剖面、冲刷扩展速率对外部水动力条件，来流攻角及管线初始埋深的依赖关系；针对单个垂直桩柱的局部冲刷问题开展了物理模型试验研究工作，提出了改进的局部冲刷预报公式；针对群桩局部冲刷开展了物理模型试验研究工作，获得了冲坑深度、冲坑半径等物理量对群桩孔隙率的依赖关系。本项目所建立的分析方法及计算模型，对海底管道设计及更广泛的流固耦合问题具有重要的借鉴意义。. 在本项目的资助下，发表研究论文9篇，其中SCI国外期刊论文4篇（包括国际高水平学术期刊Journal of Fluid Mechanics 1篇，Coastal Engineering 1篇，Physics of Fluids 1篇），EI收录2篇；授权软件著作权1项，培养博士研究生1名，硕士研究生1名；参加1次国际会议。