【摘 要】
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长年铺设于海底的输油管道在波浪、水流的长期作用下会产生局部冲刷,形成冲刷悬空段,极易诱发管道结构破坏和疲劳破坏。海底管道一旦失事将会造成巨大的经济损失和环境灾难。
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长年铺设于海底的输油管道在波浪、水流的长期作用下会产生局部冲刷,形成冲刷悬空段,极易诱发管道结构破坏和疲劳破坏。海底管道一旦失事将会造成巨大的经济损失和环境灾难。因此预测管道周围泥沙冲刷状况极为重要。本文建立一个二维垂直流场数值模型,采用了雷诺平均的2D N-S方程并结合标准k-ε紊流模型进行封闭。在流场固壁边界上采用壁函数方法处理。控制方程在曲线坐标下采用有限差分法进行求解。泥沙模型分别研究了粘性泥沙和无粘性泥沙的临界起动速度及下落速度,泥沙输运采用推移质和悬移质两种输沙形式。冲刷模拟过程中,利用动网格技术来模拟海床地面的变化,同时,采用时间步长匹配的方法,以减小了计算耗费时间。采用底面光滑技术,确保数值稳定性。对所建模型进行验证,数值模型结果与实验值得到很好吻合,所建冲刷模型能够准确地模拟出冲刷平衡深度。最后,对冲刷启动模拟,分析冲刷启动原理,并进行多组冲刷数值实验,分析泥沙冲刷过程,总结出一套冲刷平衡深度经验公式。在单独水流流场模型的基础上,建立了波浪流场模型和波流共同作用流场模型。波浪流场模型采用振荡流来模拟波浪作用下管道周围的流场,波流共同作用模型采用单独水流模型和一阶波浪理论来模拟波流共同作用下管道周围的流场。冲刷计算时同时考虑了悬移质和推移质的输运,同样采用了时间步长匹配的方法,来减小计算耗时。计算波浪冲刷时利用周期平均的输沙率计算地形的变化,地形变化利用床面附近的泥沙质量守恒进行控制,在每个冲刷时间步之后对床面进行光滑,消除网格畸变,提高计算稳定性。
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