海底滑坡对置于海床表面管线作用力的CFD模拟.pdf

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1、第38卷第9期海洋学报v01．38，No．92016年9月HaiyangXuebaoSeptember2016王忠涛，王寒阳，张字．海底滑坡对置于海床表面管线作用力的CFD模拟[J]．海洋学报，2016，38(9)：110--117，doi：10．3969／j．issn．0253—4193．2016．09．011WangZhongtao，WangHanyang，ZhangYu．CFDnumericalanalysisofsubmarinelandslidesimpactonlaid—on-seafloorpipelineEJ2．HaiyangXuebao，2

2、016，38(9)：110—117，doi：10．3969／j．issn．0253—4193．2016．09．011海底滑坡对置于海床表面管线作用力的CFD模拟王忠涛1’2，王寒阳1,2，张宇1’2(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；2．大连理工大学岩土工程研究所，辽宁大连116024)摘要：海底管线是海洋工程中用于传输原油和天然气等的重要通道，通常放置在海床表面或处于悬跨状态。本文采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面的海底管线的作用，得到了管线所受的轴向荷载和法向荷载与滑坡冲击角度之间的关系

3、。同时分析了沿冲击方向管线截面形状与管线所受阻力之间的关系。对已有研究进行拓展延伸，丰富了不同工况下轴向阻力系数和法向阻力系数的计算成果，得出了海底滑坡对置于海床表面管线冲击力的计算公式。关键词：海底滑坡；海底管线；CFD模拟；非牛顿流体；冲击截面形状中图分类号：P642．22文献标志码：A文章编号：0253—4193(2016)09—0110—081引言海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，已成为资源开发较为活跃的区域。由于承受着各种地质环境条件的制约，因而海底通常处于不稳定状态[1]。而海底滑坡则是海底中最常见、出现频率最高的地质灾害卫]。海底管线作为海上运输资源

4、的主要手段，其数量也随着开发活动的愈加频繁而日益增加[3]。海底滑坡能破坏海底石油平台与海洋工程设施，甚至能够引起诸如海啸等自然灾害，给经济社会造成重大损失[4]。因此，评价海底的稳定性并进行滑坡一管线相互作用分析，不仅对资源开发防避相关地质灾害具有重要的科学意义和应用价值，而且可为深水区油气勘探平台的稳定性分析和天然气水合物勘探开发提供重要的科学依据Kj。Zakeri等¨1在2007年通过常规模型试验模拟了管线受垂直向水下滑坡的冲击作用，研究了不同泥浆含量、泥浆流速对冲击荷载的影响，建立了雷诺数与法向阻力系数cD。。间的数学表达关系式。随后Zakeri[7

5、：于2009年采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下水下滑坡对悬跨管线的作用力，计算中采用Herschel—Bulkley模型，扩展了之前模型试验的结果，提出了轴向阻力系数CD一。与雷诺数的计算公式，并修正CD咄的计算公式。I。iu等r83采用Powe>Law模型，对不同冲击角度下悬跨管线的受力进行计算，并通过对比土力学方法与流体力学方法的结果，提出法向阻力系数与冲击角度相关，并进一步修正了CD。。和CD一。的计算公式。I．iu等、Zakeri等研究均模拟了悬跨状态下的管线受力，尚未考虑不同冲击角度滑坡对置于海床表面管线的受力。又由于底床粗糙度是研究

6、河口海岸沉积物运移和水流结构的重要因素凹]，故在模拟时将采用粗糙底面以区别于Liu等的研究。另外李少华认为管线所受到的阻力与管线表面粗糙程度、管线沿冲收稿日期：20160414；修订日期：2016—05—09。基金项目：国家自然科学基金项目(41572252)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20120041130002)。作者简介：王忠涛(1974)，男，辽宁省大连市人．副教授，主要从事海洋岩土工程等方面的教学和科研。E-mail：zhongtao@dlut．edu．cn9期王忠涛等：海底滑坡对置于海床表面管线作用力的CFD模拟击方向的形状等因素有

7、关=1⋯，因此将进一步考虑冲击截面形状对管线阻力的影响。本研究采用CFD法，模拟不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面管线的作用力，讨论冲击角度、泥浆含量、滑移速度的影响，提出置于海床表面工况下管线法向阻力系数CD一。。和轴向阻力系数CD。的计算公式，并整理了CD一。与冲击角度的相关性。同时讨论了管线所受阻力与冲击截面形状之间的关系。2CFD数值模拟2．1流变模型海底滑坡从初始状态失稳滑移，逐渐转变成泥浆状态、到形成混浊流，最终稳定沉积下来。剪切速率与切应力不满足线性关系，故不能看作牛顿流体。在流体力学研究中，将海底滑坡的流动物质看成仅由一种物质组成的黏滞力很

8、高的流体，可以用Bingham、HerscheH3u