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海底管道自埋机理数值模拟研究

作　者: 单丹丹
导　师: 张洪雨
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 海底管道阻流器固壁泥沙海床下沉
分类号: TE973
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着陆地石油储量的越来越少,人们开始将目光放在海底石油的利用和开采上,而海底管道作为一种重要的运输工具,具有输送连续、输送量大、管理方便等优点,目前已在海洋工程中得到了较广泛的应用。通常情况下海底管道所处的海洋环境都非常恶劣,在波浪、潮流等的作用下容易造成管道悬空并失去在位稳定性,所以一般在管道的铺设过程中要对管道进行埋设,传统方法是依靠机械的方式对管道进行埋设,但各类机械设备的价格都很昂贵,为了寻求一种经济有效的方式,人们将一种类似鱼鳍的阻流器装置安放在管道上方,以实现管道的自埋。本文以杭州湾海底管道铺设中的自埋技术为现实依据,应用数值模拟的方法来对比有无阻流器两种情况下海水对管道冲刷产生的不同影响,通过对比说明阻流器对管道自埋的促进作用。首先将海床假想为固壁,模拟有无阻流器管道周围的冲刷情况,通过对管道表面的压力系数、升力系数以及海床剪应力的对比分析,说明阻流器能够导致管道周围水流发生变化,使得管道上方压力变大,升力系数减小,管道下方水流流速变大,冲刷海床,导致海床剪应力增大,这些都对管道的自埋起到了一定的促进作用。而后对管道周围的泥沙海床冲刷进行数值模拟,研究管道下方的冲刷坑形态,同样输出管道表面压力系数分布情况,并且对比管道下方的水流流速情况,从中我们可以看出,添加阻流器的管道表面压力出现了明显的左右不对称情况,这是由于阻流器的阻挡导致管道迎流面顶部压力明显增大,而这也将导致管道的升力系数下降,管道下方的冲刷加剧,从冲刷坑的形态也可以看出,阻流器会使冲刷坑加深,那么管道就会在自重的作用下下沉较快,从而实现自埋。对管道的下沉过程进行模拟,我们可以发现,管道的自埋过程首先是管道下方的泥沙冲刷,形成冲刷坑,由于管道本身存在着重力,这样在重力的作用下会慢慢下沉,被冲刷的泥沙会在管道后方堆积,随着管道的下沉,后方的泥沙将慢慢回填,将管道埋于海床下,这就是管道的实际自埋过程。

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摘要 5-6ABSTRACT 6-10第1章绪论 10-26 1.1 课题研究的背景和意义 10-13 1.2 国内外研究综述 13-24 1.2.1 海底管道铺设技术研究综述 13-17 1.2.2 海底管道冲刷问题研究综述 17-21 1.2.3 海底管道埋设问题研究综述 21-24 1.3 本文的研究方向 24-25 1.4 本章小结 25-26第2章海底管道自埋机理 26-39 2.1 管道周围的底床冲刷 26-32 2.1.1 冲刷机理概述 26-30 2.1.2 冲刷过程 30-32 2.2 管道自埋机理概述 32-34 2.2.1 土体液化或软化导致管道自埋 32-33 2.2.2 重力下沉 33-34 2.2.3 跨间失稳引起管道自埋 34 2.3 阻流器技术 34-38 2.3.1 阻流器结构与工作机理 35-37 2.3.2 应用条件 37 2.3.3 功能特点 37-38 2.4 本章小结 38-39第3章阻流器对海底管道自埋效果的数值模拟 39-68 3.1 海底管道周围固壁海床的数值模拟 39-49 3.1.1 流体运动的控制方程 39-41 3.1.2 数值模型的建立 41-43 3.1.3 数值模拟结果分析 43-49 3.2 海底管道周围实际海床的数值模拟 49-63 3.2.1 控制方程 50-51 3.2.2 流体相的湍流封闭模型 51-52 3.2.3 固体相中的湍流模型 52-53 3.2.4 颗粒温度的输运方程 53-54 3.2.5 应用FLUENT进行建模 54-55 3.2.6 分析模拟结果 55-63 3.3 管道下沉过程数值模拟 63-66 3.4 本章小结 66-68第4章采用阻流器的海底管道实际工程应用 68-74 4.1 杭州湾海底管道工程概况 68-69 4.2 管道施工技术 69-71 4.2.1 简介 69 4.2.2 拖管工艺 69-70 4.2.3 拖管计算 70-71 4.2.4 南岸拖管程序 71 4.2.5 拖管过程应注意的问题 71 4.3 海底铺设管道勘测 71-72 4.4 阻流器效果分析 72-73 4.5 本章小结 73-74结论 74-76参考文献 76-81攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 81-82致谢 82

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