海流作用下海底管道局部冲刷与涡激振动动力耦合行为及机理研究

海流作用下海底管道局部冲刷与管道涡激振动相互作用是一个复杂的'流体－管道－砂床'动力耦合问题，它直接影响海底管道的安全运营。已有研究主要集中于分析固定静止管道的局部冲刷或无边壁影响的管道涡激振动特性，而对管道局部冲刷与涡激振动相互作用的研究涉及很少。本项目将采用实验模拟与理论分析相结合的方法，研究海流作用下海底管道局部冲刷与涡激振动的动力耦合作用。同步测量床面冲刷变形、管道涡激振动位移、管道所受水动力、管道绕流流场，分析管道局部冲刷与涡激振动动力耦合的物理过程，探索涡激振动管道周围砂床局部冲刷特性和冲刷悬空管道的涡激振动规律，揭示可冲刷变形床面附近管道涡激振动机理，为海底管道局部冲刷防护和涡激振动抑制的工程设计提供科学依据。

海流作用下海底管道局部冲刷与管道涡激振动动力耦合行为是一个复杂的‘流体－管道－砂床’动力耦合问题，它直接影响海底管道的安全运营。已有研究主要集中于分析固定静止管道的局部冲刷或无边壁影响的管道涡激振动特性，而对管道局部冲刷与涡激振动相互作用的研究涉及很少。本项目采用实验模拟与理论分析相结合的方法，研究了海流作用下海底管道局部冲刷与涡激振动的动力耦合作用。同步测量床面冲刷变形、管道涡激振动位移、管道绕流流场，分析了管道局部冲刷与涡激振动动力耦合的物理过程，探索了涡激振动管道周围砂床局部冲刷特性和冲刷悬空管道的涡激振动规律。具体内容如下：对海流作用下海底管道局部冲刷与涡激振动动力耦合行为进行了细致的相似分析，获得了问题的相似准则，并讨论了各相似准则的相似性。对涡激振动管道周围砂床冲刷特性进行了研究。对比分析了单方向（横向）和两方向（横向和流向）涡激振动管道周围砂床冲刷特性。分析比较了固定管道和涡激振动管道周围砂床冲刷特性。初步比较了海床土性对涡激振动管道的冲刷剖面的影响。探讨了可冲刷壁面附近海底管道涡激振动特性。研究了管道与砂床初始间隙比对管道涡激振动幅值和频率的影响。对比分析了刚性海床与冲刷海床附近管道涡激振动特性。研究了冲刷海床条件下两自由度管道涡激振动特性。探讨了流体-管道-砂床耦合机理。研究结果发现管道振动发生后，在振动初期，冲刷迅速发展，冲刷深度随时间呈负指数规律变化。冲刷坑的最深位置位于管道中心偏下游一侧。当管道嵌入砂床时（此时管道与砂床间隙为负值），在水流作用下，冲刷首先发生，只有当冲刷发展到一定程度，即管道与砂床间隙达到一定值时，管道才可能产生涡激振动；管道发生振动后，冲刷深度在前期迅速增加，随时间的发展，冲刷逐渐趋于稳定，而管道振幅在此过程中变化很小。当管道与砂床初始间隙大于零时管道涡激振动与砂床冲刷可以同时发生，在此过程中，管道涡激振动幅值变化可以很小，而冲刷深度却可以变化很大。