恒定流作用下水下管道底部防渗板临界长度数值研究.pdf

中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第6 期: 706 ~ 714 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 0 恒定流作用下水下管道底部防渗板临界长度数值 研究 ①② ①* ② ① 1B 张芝永 , 拾兵 , 郭亚昆 , 杨立鹏 ① 中国海洋大学工程学院, 青岛 266100; ② School of Engineering, University of Aberdeen, Aberdeen, AB24 3UE, UK * E-mail: sediment@ 收稿日期: 2012-05-16; 接受日期: 2013-02-06 国家自然科学基金(批准号:、国家高技术研究发展计划(“863”计划)(批准号: 2008AA09Z309)、国家留学基金委和阿伯丁大学 资助项目 摘要 在床面上铺设不透水防渗板是对水下管道局部冲刷进行防护的一种新方法, 为加深 关键词 对这种防护措施的了解, 首先应用有限体积法和 VOF 方法对恒定流作用下水下管道局部绕流 水下管道 流场进行了数值模拟分析, 得到了考虑水面变化时的管线周围床面压力分 布情况, 讨论了水 恒定流 防渗板 深、单向防渗板及双向防渗板长度对压差的影响. 在此基础上, 基于层流模型和多孔介质模型 数值模拟 对管道周围海床的渗流场进行了数值计算. 分析了防渗板长度对水力梯度分布的影响, 并对防 临界长度 渗板的临界长度进行了研究分析. 结果显示, 计算结果与前人试验结果基本符合. 水深小于 5.00D 时, 水深对于床面压力的影响较为显著; 单向防渗板和双向防渗板两端压差均随着防渗 板长度的增加而减小, 且压差变化值较为接近; 防渗板长度的增加, 延长了渗流的渗透路径, 减小了渗流区的水力梯度, 有效地避免了管涌的发生; 防渗板的临界长度随着水深的增加而逐 渐减小, 当水深大于 4.00D 时, 水深对于临界长度的影响较小; 在相同水深情况下, 临界长度 随无量纲流动参数的增加而逐渐增大. 1 介绍 冲刷发展历程[6~11]方面. Chiew[12]通过物理试验对管 道局部冲刷机理进行了分析, 指出管涌是引起水下 在复杂海洋环境下, 置于可冲刷海床上的水下 管道局部冲刷发生的主要因素. 海流作用下, 管道与 管道会经常遇到局部冲刷问题, 局部冲刷会致使管 海床在迎流面和背流面的接触点之间存在压力差, 道部分悬空, 当悬空段长度逐渐增大并达到一定程 使得管道下部海床出现渗流, 当管道下游侧渗流出 度时, 管道会失去在位稳定, 发生变形, 严重时会导 口处水力梯度大于管涌发生的临界水力梯度时, 大 致管道断裂. 目前, 许多学者对于