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横管绕流及其冲刷规律的实验研究

作　者: 张丛丽
导　师: 喻国良
学　校: 上海交通大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 单向流流场悬空比切应力埋深比平衡冲刷深度
分类号: U171
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 31次
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内容摘要

随着海底管线在海洋工程中越来越广泛的应用,外界水动力作用下海底管线尤其是水平横管的绕流形态以及由此引起的海床冲刷、管线破坏等问题也越来越引起广大研究人员的关注。为了进一步研究海底管道的冲刷机理和冲刷坑的形成,进而有针对性的对管道进行保护,减少管道破坏失效,本文对定床及动床条件下的单向均匀明流情况下横管绕流进行了系统的实验研究。本文的主要研究内容是,分析定床条件下单向均匀明流情况下横管的绕流特性;探明波流共同作用下可冲积床面上存在沙波运动时管道的冲刷机理;研究各个因素如水深、流速、埋深、和管径以及沙波对冲刷深度的影响,并计算平均冲刷速率,提出了最大冲刷公式。本文旨在用实验的方法,运用简化的PIV激光流速测速技术,对单向均匀流条件下不同悬空比的水平圆柱型管道的绕流瞬态流场进行动态测量,并用摄像加拍照的方法记录管道的冲刷过程。通过对试验资料的分析,得出了管道绕流时的流场图和无量纲的床面、横管顶部和横管底部切应力的变化图,并讨论了各个特征部位的切应力随悬空比、管径、流速和水深的变化趋势;将横管的冲刷分为管道未悬空前冲刷、管道悬空绕流冲刷和平衡冲刷三个阶段。研究发现,冲刷坑的深度受埋深和管径的影响不大,但受流速影响较大。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
符号说明  8-11
第一章概述  11-30
  1.1 课题的背景和意义  11-20
    1.1.1 海洋油气资源  11
    1.1.2 海底管道铺设  11-14
    1.1.3 管道失效统计及原因  14-20
  1.2 管道冲刷概述  20-21
  1.3 国内外研究现状综述  21-29
    1.3.1 定床实验研究成果  21-22
    1.3.2 动床实验研究成果  22-25
    1.3.3 最大冲刷深度  25-27
    1.3.4 数值模拟研究成果  27-29
  1.4 主要研究内容  29-30
第二章基本知识  30-36
  2.1 恒定流和非恒定流  30
  2.2 均匀流和非均匀流  30
  2.3 水流流态  30-32
    2.3.1 层流与紊流  30-31
    2.3.2 缓流与急流  31-32
  2.4 谢才系数  32
  2.5 水流切应力  32-33
    2.5.1 均匀流水流切应力  32
    2.5.2 明渠紊流切应力  32-33
  2.6 流量与断面平均流速  33-34
  2.7 垂线流速发布  34
  2.8 泥沙的起动条件  34-35
  2.9 泥沙的输沙率  35-36
第三章试验设计和试验装备  36-42
  3.1 试验设备介绍  36-39
  3.2 定床试验设计  39-40
    3.2.1 试验装置布置示意图  39
    3.2.2 试验工况条件  39-40
    3.2.3 试验过程  40
  3.3 动床试验设计  40-42
    3.3.1 试验设备布置示意图  40-41
    3.3.2 试验工况条件  41
    3.3.3 试验过程  41-42
第四章试验原理及试验数据处理方法  42-48
  4.1 试验原理  42
  4.2 简易PIV 方法的工作原理  42-43
  4.3 简易PIV 试验装置  43
  4.4 图像及数据处理  43-45
  4.5 断面平均流速的测量  45
  4.6 切应力的计算  45-48
第五章定床试验结果  48-61
  5.1 试验现象  48-49
  5.2 试验结果及分析  49-61
    5.2.1 流速数据  49-53
    5.2.2 流场部分  53-55
    5.2.3 切应力  55-60
    5.2.4 结论  60-61
第六章动床试验结果  61-74
  6.1 绕流冲刷现象及冲刷机理  61-63
    6.1.1 圆柱桥墩冲刷  61
    6.1.2 水平管道冲刷  61-63
  6.2 不同参数对平衡冲刷深度的影响  63-69
    6.2.1 埋深的影响  63-65
    6.2.2 流速的影响  65-66
    6.2.3 管径的影响  66-67
    6.2.4 Fr 的影响  67
    6.2.5 沙波的影响  67-69
  6.3 冲刷坑形态变化及最大冲刷点的轨迹  69-70
    6.3.1 冲刷坑形态  69-70
    6.3.2 最大冲刷点轨迹  70
  6.4 最大冲刷深度及冲刷速率  70-74
    6.4.1 最大冲刷深度  70-71
    6.4.2 冲刷速率  71-74
第七章研究结论与展望  74-76
  7.1 研究结论  74-75
    7.1.1 定床实验部分  74
    7.1.2 动床实验部分  74-75
  7.2 研究展望  75-76
参考文献  76-80
附录  80-91
  1 测水槽流速方法  80-81
  2 断面平均流速计算  81-83
  3 流速数据  83-85
  4 切应力数据  85-87
  5 冲刷深度数据  87-91
致谢  91-92
攻读硕士学位期间的研究成果  92

横管绕流及其冲刷规律的实验研究

内容摘要

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