稳定流态下海底管线局部冲刷有限元数值模型

为了获得海底管线局部冲刷发展过程中不同时刻的床面形态,建立了一个有限元数值模型来模拟稳定水流下海底管线的局部冲刷。采用非定常雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型模拟水流流动,通过求解Exner方程计算床面变化,利用动网格技术展现床面变化历程,分别采用特征线法和有限元法对方程进行时间和空间离散。通过二维方形钝体绕流和Mao的清水冲刷试验对模型进行了验证。结果表明,模拟结果与试验数据吻合较好,所建模型可用于模拟海底管线局部冲刷。     

黏土海床管道局部冲刷的模拟研究

基于黏土的流变特性,将黏土视为一种流体,用Herschel-Bulkley模型模拟,采用计算流体力学(CFD)软件Fluent建立二维管道冲刷模型,结合SST k-ω湍流模型以及VOF两相流模型对黏土海床上管道局部冲刷进行数值模拟研究。研究分析表明:海底管道的存在增加了海流对海床的剪切应力,随悬空高度增大,海床剪应力逐渐减小。管道冲刷深度主要受黏土的不排水抗剪强度和流场流速的影响,管道的局部冲刷深度随土体强度的增大而减小,屈服应力为150 Pa时其冲刷深度为0.63D,约为屈服应力为600 Pa时的2倍。管道的局部冲刷深度随流速的增大而增大,流速每增加0.2 m/s其管道下方的冲刷深度平均会增加0.16D。受管道对流场的扰动,管道下游的尾流冲刷深度对流场流速大小更为敏感。     

台风多发区域涉海工程设计极值流速的计算

半埋式海底输油管线等海洋工程建设以后,由于底层水流的作用,会导致管道附近海域海床遭受冲刷,给管道安全带来很大的隐患。为了给海底管道等涉海工程选址提供设计参数,避免因底层流速过大而造成管道冲刷悬空,影响到管道的安全,采用三维风暴潮流模型计算了管道区域重现期风暴潮流流速,并推算了海域表层、底层极值流速的分布情况。研究结果表明:2号站10 a一遇、20 a一遇和50 a一遇的表层最大流速分别为257,284 cm/s和323 cm/s,底层最大流速分别为188,203 cm/s和222 cm/s。20 a一遇的风暴潮流流速与潮流最大可能流速基本相近,因此风暴潮流影响不可忽略。     

海上风电桩基局部冲刷试验研究

风电桩基既承担风机自身荷载,又受到叶片转动的侧向压力,桩基稳定性至关重要。海上风电桩基不仅受潮汐双向水流和波浪共同作用的影响,而且桩基尺度介于通常的桥墩和码头桩基之间,局部冲刷具有一定特殊性。通过建立1∶60的正态模型,研究了洋口海域海上风电桩基在波浪、潮流及波流共同作用下的局部冲刷。结果表明:潮流是控制该海域桩基局部冲刷的主导因素;往复流作用下的冲刷坑形态呈椭圆形,最大冲刷深度约为恒定流的80%;当波流共同作用时,由于桩前波浪振荡水流的作用,泥沙较水流作用时更易起动,局部冲刷显著增强,最大冲刷深度为潮流和恒定流作用下的2.0与1.7倍;韩海骞公式计算值按照系数0.75折算后与波流作用下的桩基冲刷深度试验值较为吻合。根据试验结果,建议对桩基周边局部冲刷坑进行抛石防护,确保海上风机的安全稳定。     

潮流作用下桥墩局部冲刷研究

为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系,通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验,观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势,分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲刷坑发展过程的影响,涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性,在潮流速度值较大或历时占优的情况下,将取得与恒定流一致的局部最大冲深。     

复杂波浪条件下海底管线冲刷深度实验研究

海底管线冲刷深度一直是该领域关注的焦点问题。现有的海底管线冲刷深度计算公式大多仅适用于单一波浪作用下且波浪方向垂直于管线,而在实际情况中,不同方向的波浪联合作用在管线引起管线冲刷。该文以秦皇岛海域实测多年波浪为依据,进行了不同管线铺设角度等复杂波浪条件下的冲刷实验。实验结果表明,在复杂波浪条件下,管线上下游压力差随着管线角度的增大而增大,导致冲刷深度的增大;现有管线相对冲刷深度的经验公式不能用来估算冲坑深度。并且通过对实验结果的回归分析,得到了复杂波浪条件下海底管线冲刷深度估算的经验公式。     

导流板对海底管道绕流影响的数值模拟与试验研究

采用试验研究和数值模拟相结合的方法为对海底管道添加导流板后的绕流特性进行了研究。数值模型利用有限体积法进行离散,湍流模型采用标准kε湍流模型。通过对比分析,数值模拟结果与试验结果吻合较好。同时对不同间隙比下导流板对迎流面前驻点、流速分布、管道表面压力分布、升阻力系数及床面剪应力的影响进行了分析,为海底管道冲刷及防护技术的进一步研究奠定了基础。     

水下管道附近泥沙冲刷的三维数值模拟

该文在FLUENT软件中使用用户自定义函数UDFs进行二次开发,耦合了基于有限差分方法求解的泥沙输运模型,建立了模拟海底管线周围三维流动和冲刷的数值模型。针对推移质运动,采用输沙率得到床面的高程变化,并使用动网格技术更新床面计算网格。针对流动时间尺度与泥沙输运时间尺度的差异,采用了不同的计算步长来提高效率。通过与实验数据进行比较验证了该模型的有效性及计算精度,并利用该数值模型模拟管道附近的三维冲刷发展过程,探索了不同希尔兹参数条件下冲坑的发展规律和流场变化情况。可以观察到在管道两侧压力差的作用下,管道后方出现一个隆起的沙波,并伴随着涡旋的产生。该文的计算方法可以很方便地推广到k??其它局部冲刷过程的模拟研究。     

裸露穿河管道在压重块保护下的冲刷特性

水流冲刷引起河床变形的不确定性对水下穿越管道的安全运行造成威胁。为了探究裸露穿河管道在压重块保护措施下的冲刷特性,通过水槽模型试验,研究压重块长度、压重块布置间距、水流流速、河道水深等因素对管道周围河床地形和冲刷深度的影响。试验结果表明:水下穿越管道在压重块保护措施下的冲刷过程可分为冲刷坑形成、压重块迎流侧悬空、管道迎流侧悬空和冲刷平衡4个阶段;管道的最大冲刷深度与流速和压重块长度正相关,与水深和压重块布置间距负相关;采用量纲分析法得到了无量纲冲刷深度与压重块长度、压重块布置间距、弗劳德数之间的函数关系式。研究成果可为水下穿越管道压重块保护措施的设计、建造及运营维护提供重要的理论支撑。     

跨海桥梁基础冲刷特征研究

在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中引桥桥墩一般冲刷深度为3.3~3.6 m,平均局部冲刷深度约8.3 m。往复潮流条件下桥墩基础局部冲刷坑受双向潮流影响向上下游延伸,形状呈椭圆形,各墩冲刷坑纵向长度与最大局部冲刷深度呈近似线性关系,长度约为局部冲刷深度的10~12倍,而各墩冲刷坑横向宽度则基本一致,约为桥墩基础宽度的4~5倍,与最大局部冲刷深度无明显相关性。跨海桥梁基础冲刷深度计算方法及冲刷坑形态特征的研究成果可供跨海大桥基础设计、运行维护及基础冲刷防护参考。     

Local scour at offshore windfarm monopile foundations: A review

In this article, current research findings of local scour at offshore windfarm monopile foundations are presented. The scour mechanisms and scour depth prediction formulas under different hydrodynamic conditions are summarized, including the current-only condition, wave-only condition, combined wave-current condition, and complex dynamic condition. Furthermore, this article analyzes the influencing factors on the basis of classical equations for predicting the equilibrium scour depth under specific conditions. The weakness of existing researches and future prospects are also discussed. It is suggested that future research shall focus on physical experiments under unsteady tidal currents or other complex loadings. The computational fluid dynamics-discrete element method and artificial intelligence technique are suggested being adopted to study the scour at offshore windfarm foundations.     

Clear-water scour depth below underwater pipelines

The paper presents (1) a semi-theoretical model for the computation of maximum clear-water scour depth below underwater pipelines in uniform sediments under steady flow and (2) an experimental investigation on the influence of upward seepage on clear-water scour depth below underwater pipelines.Based on the “image method” of the potential flow theory for the flow through the gap between a circular pipeline and the scoured bed, a theoretical model is presented for the computation of maximum scour depth below underwater pipelines in clear-water condition considering the wall correction. Also, a simple theoretical calculation, that involves Chiew's (1991) [Chiew, Y.M., 1991. “Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines.” J Hydraul Eng 117(4), 452–466] gap flow curve, is proposed to estimate the maximum scour depth considering the wall correction. The computed results agree satisfactorily with the experimental data. In addition, the potential predictors of the maximum scour depth given by different researchers are compared with the experimental data.The result of an experimental investigation on the scour depth below pipelines under the influence of upward seepage through the bed sediment is presented. In general, the scour depth below pipelines with upward seepage is smaller than that without seepage. There exists a critical value of the ratio of seepage velocity to main flow velocity that corresponds to a minimum scour depth.     

波流作用的近岸圆柱局部床面侵蚀

波浪流对近岸浅水带床面作用强烈,该区域结构物局部床面侵蚀显著,潜存致灾威胁。用三维数值方法研究了瞬态孤立波作用下非黏性沙海床上的近岸圆柱体局部冲刷规律,分析了波浪流冲刷的3类主要影响要素,讨论了近岸地形条件影响下的波流冲刷深度。研究认为,表征浅水波流特征和柱体尺度的无量纲数Urp与KC数存在非独立关系,二者均能分别反映波流冲刷的主要规律;表示泥沙运动的力学参数Shields数在波流动床条件下仍对柱体局部冲刷有贡献;近岸地形通过床面坡度对波破碎的增强及堤岸挡墙对波浪的反射,都会影响到局部冲刷。     

潮流作用下复合桥墩局部冲刷研究

桥墩冲刷是桥梁水毁的重要原因之一,准确地计算桥墩冲刷深度具有重要意义.为了比较准确地计算桥墩局部冲刷深度,结合某跨海大桥,采用非结构网格技术和大、小模型嵌套的方法建立该大桥海区的平面二维潮流数学模型,采用潮位、流速、流向等实测资料进行验证.在此基础上,对该海区的潮流动力进行了模拟研究,分析了大桥工程对周围海域的潮流动力影响,并采用我国行业标准推荐的2种公式以及美国现行规范推荐的公式计算多座跨海大桥桥墩的局部冲刷计算.结果表明:大桥工程对桥区附近水域流速和潮位影响不大,桥墩可能发生最大局部冲刷深度的位置均位于主墩深槽附近.     

Simulation of the flow field and scour evolution by turbulent wall jets under a sluice gate

This numerical study of scour process tested the skills of computational fluid dynamics in modeling the unsteady flow field during the scour development stage by two-dimensional turbulent wall jets under a sluice gate. The modeling was found to well describe the experimentally observed flow patterns, that is, the main jet diverged to a returning jet and a tail jet. The model also correctly predicts the evolution of the scour depth and length. We examined the self-similarity of the profiles of scour bed and overlying velocities throughout the entire scour development and equilibrium stages. We found self-preserved profiles of velocities and scour beds using local jet parameters. Four growth curves were compared in describing the temporal evolution of scour depth. Finally, non-dimensional scaling of the equilibrium maximal scour depth was investigated. We used the theory of wall jet, and suggested that a modified jet Froude number can be used to predict the equilibrium scour depth, which accounts for the attenuation of the jet velocities along the apron.     

杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性

杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾大桥中间位置,海中平台下部群桩结构与平台上游各系列匝道墩、大桥主墩形成了复杂的墩群结构,受其影响,海中平台区域海床冲刷较为剧烈。为深入了解海中平台区海床冲刷特性,应用多年实测地形测量资料,对海中平台区的海床地形特征、建桥前后海床冲淤变化规律进行了分析,研究各匝道墩最低冲刷高程分布,并应用数值计算模型分析了海中平台区的水动力分布特征,揭示了匝道墩海床冲刷机理。研究发现,与建桥前相比,海中平台区大桥轴线上游500 m~下游1 000 m范围内海床发生整体一般冲刷,在海中平台南北两侧,受局部绕流影响,产生明显的局部冲刷,最大冲刷达14 m。平台南北两侧向上游延伸的局部冲刷槽影响到平台上游的匝道墩,导致部分匝道墩附近海床高程普遍较低。整体来看,位于桥轴线上游的ZB和ZC系列匝道墩因受到海中平台绕流及主墩绕流的叠加影响,导致其最低海床高程明显低于位于桥轴线下游的ZD和ZE系列匝道墩,各匝道墩最低海床高程与涨潮流流速大小具有一定的相关性。