潮流作用下海底管线尾流的水力特性研究

论文摘要

海底油气输送管线是海上油气开发中油气传输的主要方式，是海洋油气生产系统中一个不可缺少的重要组成部分。由于海底管线所处的海洋动力环境非常恶劣，许多不确定因素的相互影响使得海底管线的铺设和运营风险俱增，因冲蚀悬空而造成破坏的报道一直层出不穷。随着我国深海油气资源的不断开发,海底管线在海洋工程中的应用越来越广泛，因此海洋动力作用下海底管线防护问题也越来越引起广大海洋工程技术人员的广泛关注。本文通过分析管线绕流机理，将单向流作用下管线后侧回流区沿水深分为3个流区(底层的负流区、中层的自由剪切层区以及上层的核心区)。针对剪切层区的水流特征，利用射流分析的类似方法，适当的简化控制方程，从理论上探讨了剪切层区的时均速度分布规律。根据动量守恒，推导了管线后侧回流区长度公式。分析了流经管线水流的水面线变化情况。通过物理模型试验，采用Vectrino三维点式流速测量系统，对单向流作用下无导流板以及顶部安装导流板的海底管线周边流场进行了系统的试验观测。以试验资料为基础，讨论了流场流速、紊动强度以及压力变化趋势，并对回流尺度进行了分析，将试验结果与理论计算结果相对比，吻合良好。在理论和试验研究的基础上，对管线周围流场、压力场进行了垂向二维的数值模拟。计算结果与试验结果吻合良好。本文的研究为进一步探讨海底管线冲刷机理及其防护技术奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 相关研究进展
• 1.2.1 相关理论
• 1.2.2 物模方面相关研究
• 1.2.3 数模方面相关研究
• 1.3 管线顶部导流板的工作原理
• 1.4 本研究的意义
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 海底管线尾流特性的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 湍流及漩涡基本概念
• 2.3 管线周边流场分析
• 2.3.1 管线绕流机理分析
• 2.3.2 流动模型建立
• 2.3.3 基本方程建立
• 2.3.4 时均速度分布公式推导
• 2.4 管后漩涡区流场及尺度分析
• 2.4.1 漩涡区流场分析
• 2.4.2 回流区尺寸公式推导
• 2.5 管线周边水面线变化分析
• 2.6 恢复区流场分析
• 2.7 绕流体形态对流场影响
• 第3章 管线尾流水力特性物理模型试验
• 3.1 引言
• 3.2 试验相似定律
• 3.3 试验系统设计
• 3.3.1 可调控循环造流系统
• 3.3.2 试验模型布置
• 3.3.3 数据测量与采集系统
• 3.4 试验方案
• 3.4.1 试验参数
• 3.4.2 试验方案
• 3.4.3 试验内容及方法步骤
• 第4章 物理模型试验数据分析
• 4.1 流速分布分析
• 4.1.1 漩涡区流速分布分析
• 4.1.2 恢复区尾迹流流速分布分析
• 4.2 紊动强度分析
• 4.2.1 漩涡区紊动强度分析
• 4.2.2 恢复区尾迹流紊动强度分析
• 4.3 回流尺度分析
• 4.3.1 回流区与主流区宽度变化分析
• 4.3.2 管线回流区长度的特征分析
• 4.4 回流区流速大小的影响因素及变化规律
• 4.4.1 来流流速
• 4.4.2 收缩比
• 4.4.3 导流板形状
• 4.5 压力及相关数据分析
• 4.6 并排双管周围流场分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 管线周围流场的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 近壁管线尾流区湍流形态数值模拟
• 5.2.1 湍流基本方程
• 5.2.2 湍流数值模拟方法简介
• 5.2.3 模型的建立
• 5.3 数值模拟结果与分析
• 5.3.1 数值模拟结果与试验数据对比
• 5.3.2 流场分析
• 5.3.3 流速分析
• 5.3.4 压力分析
• 5.3.5 管线周围水面变化分析
• 5.3.6 恢复区分析
• 5.4 并排双管流场模拟结果
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 参加的研究项目