海底滑坡过程数值模拟及其对管线的作用

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1、海底滑坡过程数值模拟及其对管线的作用硕士学位论文ＩｍｐａｃｔｏｎｈｅｉｒＰｉｐｅｌｉｎｅ学号：２１１０６２０７完成日期：２Ｑ！垒生堇旦大连理工大学ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目

2、：作者签名：连鹰、滑缝垫猩数笪搓赵区基盟篁绫鲍笠周］塑壶叁日期：墅［笙年—Ｌ月—生日大连理工大学硕士学位论文摘要长时间降雨或暴雨过后，在山区很容易见到泥石流和滑坡。滑坡、泥石流不仅在陆地上会发生，在水面下（海底）也会发生。与陆地滑坡不同，在极缓的坡度下（Ｏ．５－３０），海底滑坡都能发生。大规模的海底滑坡滑移距离往往长达数百公里，这会严重损坏海洋平台、海底管线、电缆等海底设施，并造成严重的经济损失。为了避免灾害和降低经济损失，研究和预测海底滑坡的滑动过程及海底滑坡对海底管线的作用有重要意义。论文第一部分内容为模拟海底滑坡的滑坡过程。运用流体力学基本方程，如边界层近似理论、连

3、续方程、动量方程、纳维．斯托克斯方程等，推导了Ｈｅｒｓｃｈｅｌ．Ｂｕｌｋｌｅｙ及双线性（Ｂｉｌｉｎｅａｒ）流变模型的控制方程及其差分格式。这些方程验证了一维海底滑坡模拟软件ＢＩＮＧ程序的准确性。之后，用ＡＮＳＹＳＣＦＸ与ＢＩＮＧ两款软件模拟了海底滑坡的运动过程，发现当泥浆抗剪强度越大时两款软件模拟的结果越接近。由于ＢＩＮＧ计算速度很快（普通计算仅需１￣２分钟），对于抗剪强度大的泥浆，便可用ＢＩＮＧ模拟，这样可大大提高工作效率。第二部分内容是研究海底滑坡对海底管线的作用。准确的预测海底滑坡对海底管线的作用力是海洋工程师关心的问题。海底滑坡对管线的冲击力通常采用传统的流体力学

4、的阻力系数来描述。Ｚａｋｅｒｉ（２００９）使用计算流体动力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ．ＣＦＤ）方法，数值模拟了５种冲击角度下，富含粘土的海底泥石流对管线的冲击。并且，Ｚａｋｅｒｉ提出了任意冲击角度下，计算管线所受的法向阻力和纵向阻力的方法。Ｒａｎｄｏｌｐｈ和Ｗｈｉｔｅ（２０１２）用土力学的方法，对Ｚａｋｅｒｉ（２００９）的数值结果重新进行了分析处理，提出用一条失效曲线来计算任意冲击角度管线所受的冲击力。本文采用ＣＦＤ数值分析重新模拟了Ｚａｋｅｒｉ（２００９）的计算工况，并增加了更多工况。根据模拟的结果，发现冲击角度对法向阻力系数影响很大，但对

5、纵向阻力系数影响甚微。接着得到了改进的近似公式，该公式能更准确的估算任意冲击角度悬浮管线受到的法向和轴向冲击力。用土力学的方法对这些数值模拟结果也进行了重新分析，得到了新的失效曲线。土力学方法预测的力与ＣＦＤ计算的力结果很接近。关键词：海底滑坡；泥石流；海底管线；阻力；计算流体动力学；海洋工程ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｕｂｍａｒｉｎｅＬａｎｄｓｌｉｄｅｓＰｒｏｃｅｓｓａｎｄＩｍｐａｃｔＦｏｒｃｅｓｏｎＰｉｐｅｌｉｎｅＡｂｓｔｒａｃｔＤｅｂｒｉｓｆｌｏｗｓａｎｄｌａｎｄｓｌｉｄｅｓａｒｅｃｏｍｍｏｎｌｙｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｍｏｕｎｔａｉｎＯＵＳａｒｅａｓａ

6、ｆｔｅｒｌｏｎｇｏｒｉｎｔｅｎｓｅｒａｉｎｙｐｅｒｉｏｄｓ．ＴｈｅｙａｒｅｃｏｍｍｏｎｉｎｂｏｔｈｓｕｂａｅｒｉａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｗｉｔｈｌａｎｄｓｌｉｄｅｓｉｎｓｕｂａｅｒｉａｌ．ｓｕｂｍａｒｉｎｅａｎｄｓｕｂａｑｕｅｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙａｓｏｎａｓｌａｎｄｓｌｉｄｅｓｔｒａｖｅｌｏｃｃｕｒｇｅｎｔｌｅｓｌｏｐｅｓｈｕｎｄｒｅｄｓｏｆ（０．５ｔｏ３０）．Ｍａｓｓｉｖｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｌａｎｄｓｌｉｄｅｍａｙｄｉｓｔａｎｃｅｓｌｏｎｇｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｙｍａｙｓｅｒｉｏｕｓｌｙｄａｍａｇｅｆｉｘｅｄｐｌａｔｆｏｒｍｓ，ｓｕｂ

7、ｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｃａｂｌｅｓａｎｄｏｔｈｅｒｓｕｂｓｅａｆａｃｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｃａｕｓｅｓｅｖｅｒｅｅｃｏｎｏｍｉｃｉｍｐａｃｔ．ＴｏａｖｏｉｄｈａｚａｒｄｓａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｕｄｆｌｏｗｓｅｃｏｎｏｍｉｃｌＯＳＳ．ｉｔｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔａｎｄｔｈｅｉｒｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｅｓｉｓｉｓｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｌａｎｄｓｌｉｄｅｐｒｏｃｅｓｓ