波流共同作用下海底子母管线水动力的物理莫型试验研究.pdf

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1、第34卷第4期2012年7月海洋学报ACTAOCEANOI。OGICASINICAV01．34，No．4July2012波流共同作用下海底子母管线水动力的物理模型试验研究成小飞1，王永学1，王国玉1(1．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：通过物理模型试验研究海底子母管线分别在规则波加流和不规则波加流作用下的水动力特性。基于Morison方程，采用“等效直径法”分析得到子母管线拖曳力系数cD，惯性力系数CM和升力系数C。(C吉，CL-)。试验分别考察了流速比U。／u。，母管与海床间隙比e／D及子母管间的相对缝隙G／D对海底子母管线水动

2、力系数的影响。结果表明水动力系数随U。／u。的增大而减小；当e／D

3、，它由1根母管(D)和1根子管(d)组成，子管以一定缝隙(G)位于母管正上方，整个子母管结构以间隙(e)置于海床上，如图1所示。海底子母管线的这种特殊结构形式与单管相比，其周围的流场形态及水动力特征更加复杂，所以影响海底子母管线水动力的因素很多，比如Re数(Reynolds数)、KC数(Keulegan—Carpenter数)、管线表面的相对糙度、母管与海床的相对间隙及子母管间的相对缝隙等。对工程设计人员来说，如何准确计算得到海底子母管线的水动力对管线的稳定设计具有非常重要的意义。目前国内外关于海底子母管线的大部分研究都图1海底子母管线集中在稳定流的作用下，如Kalg

4、hatgi和Sayer‘11采用拖车试验的方法研究得到了稳定流情况下管线与海床的相对间隙、Re数的变化对海底子母管线水动力系数的影响。Kamarudin等‘2

5、、Zhao等‘33通过数收稿日期：201l一10一25；修订日期：201202—12。基金项目：国家自然科学创新研究群体基金(50921001)。作者简介：成小飞(1985～)，男，江苏省如东县人，博士生，主要从事波浪与海洋结构物相互作用的研究。E—mail4期成小飞等：波流共同作用下海底子母管线水动力的物理模型试验研究值模拟的方法研究了稳定流情况下海底子母管线水动力问题。研究得到了不同Re数下子母管周围的压力

6、分布、水动力系数以及涡脱落形式。Zhao和Cheng[41对稳定流作用下海底子母管线的局部冲刷进行了数值模拟研究，分析得到了子母管间的相对缝隙对管线冲刷深度及水动力系数的影响。海底子母管线在波浪作用下的研究成果还较少。Cheng等口1在波浪水槽内试验研究了规则波和不规则波作用下海床对子母管线水动力的近壁影响。马良等[6I和李玉成等[7--8]对子母管直径比d／D为0．266，子母管间相对缝隙G／D为0．266，母管与海床间隙比e／D为0．2情形进行了物理模型试验，重点研究了波流共同作用下海底子母管线的水动力系数随KC数的变化规律。文中基于莫里森(Mori—son)方程

7、，采用“变径法”(D1=D+d，A2一D2+d2)来分析计算拖曳力系数CD，惯性力系数CM和升力系数C。。研究结果表明CD，C。与KC数有良好的相关性，随KC数增大而减小，cM值离散，与KC数无明显相关。然而对在波流共同作用下母管与海底间隙比e／D，子母管间的相对缝隙G／D等诸多因素对水动力系数的影响目前还没有系统的研究工作。本文通过物理模型试验，着重考察在规则波加流和不规则波加流作用下母管与海床间隙比e／D及子母管间的相对缝隙G／D对海底子母管线水动力系数CD，CM，C。的影响，并且还考察了波流场中在波浪不变的情况下稳定流速度的改变对子母管线水动力系数的影响。本文基

8、于莫里森方程，采用“等效直径法”分析计算子母管线的水动力系数。文中子母管直径比d／D固定为0．4。2试验设计和方法2．1试验设计试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室海洋环境水槽中进行。水槽长50m，宽3ITI，深1ITI，最大工作水深为0．7ITI。水槽拥有自制的液压伺服不规则波造波机系统，周期为0．5～5．0S，同时还拥有2台总流量为0．65m3／s的双向造流设备，利用变频调速方式调节流速。试验水深为O．3m，造波机能造出的规则波最大波高可达0．136m，实际能达到的最大稳定流速度为0．45m／S。对波高采用电阻式浪高仪测量，对水流速度采