【摘要】：海底油氣輸送管線是海上油氣開發(fā)中油氣傳輸?shù)闹饕绞�，是海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中一個不可缺少的重要組成部分。由于海底管線所處的海洋動力環(huán)境非常惡劣，許多不確定因素的相互影響使得海底管線的鋪設(shè)和運營風(fēng)險俱增，因沖蝕懸空而造成破壞的報道一直層出不窮。隨著我國深海油氣資源的不斷開發(fā),海底管線在海洋工程中的應(yīng)用越來越廣泛，因此海洋動力作用下海底管線防護問題也越來越引起廣大海洋工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。 本文通過分析管線繞流機理，將單向流作用下管線后側(cè)回流區(qū)沿水深分為3個流區(qū)(底層的負(fù)流區(qū)、中層的自由剪切層區(qū)以及上層的核心區(qū))。針對剪切層區(qū)的水流特征，利用射流分析的類似方法，適當(dāng)?shù)暮喕刂品匠�，從理論上探討了剪切層區(qū)的時均速度分布規(guī)律。根據(jù)動量守恒，推導(dǎo)了管線后側(cè)回流區(qū)長度公式。分析了流經(jīng)管線水流的水面線變化情況。 通過物理模型試驗，采用Vectrino三維點式流速測量系統(tǒng)，對單向流作用下無導(dǎo)流板以及頂部安裝導(dǎo)流板的海底管線周邊流場進行了系統(tǒng)的試驗觀測。以試驗資料為基礎(chǔ)，討論了流場流速、紊動強度以及壓力變化趨勢，并對回流尺度進行了分析，將試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果相對比，吻合良好。 在理論和試驗研究的基礎(chǔ)上，對管線周圍流場、壓力場進行了垂向二維的數(shù)值模擬。計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。 本文的研究為進一步探討海底管線沖刷機理及其防護技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P756.2
【圖文】：

圖 1-1 圓柱繞流尾流隨 Re 數(shù)變化的不同型態(tài)2．分離點問題探討流體流經(jīng)管線等結(jié)構(gòu)物時，與結(jié)構(gòu)物發(fā)生相互作用，在結(jié)構(gòu)物表面邊界層的點出現(xiàn)脫離結(jié)構(gòu)物的流動，并在分離位置附近形成與主流方向相反的回流，這現(xiàn)象稱為邊界層分離現(xiàn)象。出現(xiàn)分離的位置稱為分離點[4]。發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象的必要條件有兩個：一個是受到流體黏性的影響；另一是流體處于逆壓區(qū)段。在上述兩條件下，分離點處，流體的動能幾乎降為零時在逆壓梯度作用下，流體出現(xiàn)回流現(xiàn)象，并促使邊界層脫離結(jié)構(gòu)物流動。剛離這部分流體在主流沖擊以及壓力梯度共同作用下，呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，形成大量尺度渦旋向下游發(fā)放。分離點位置受很多因素的影響。首先雷諾數(shù) Re 對分離點有很大影響，相關(guān)究已經(jīng)比較成熟。以繞流圓柱體為例[5]：

圖 1-2 分離點位置示意圖繞流結(jié)構(gòu)物的形狀對分離點位置影響也很大[6]。繞流時，若結(jié)構(gòu)物的迎流面曲率較小，如前端是尖緣的情形，則在背流面總要發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。若結(jié)構(gòu)物迎流面曲率較大，繞流過程中流線變化平緩，分離點會相對靠后，或不發(fā)生分離現(xiàn)象。3．渦旋發(fā)放模式在研究圓柱繞流的過程中，物理學(xué)家們?yōu)榱私沂緢A柱繞流過程中發(fā)生的流動分離以及渦旋發(fā)生現(xiàn)象，建立了如下幾種渦旋發(fā)放模式：剪切層模式Gerrard（1966）[7]對圓柱后尾流中的渦街形成機制做了定性描述：繞流過程中在圓柱后側(cè)形成上、下兩個分離剪切層，它們的相互作用決定了渦旋的發(fā)放。當(dāng)一側(cè)的剪切層失穩(wěn)后卷成渦旋，并從最近的剪切層中獲得渦量而不斷增大，直

圖 1-3 導(dǎo)流板裝置結(jié)構(gòu)示意圖司提出了導(dǎo)流板（spoiler）設(shè)計方案，并進行由兩部分組成：鰭和模板（見圖 1-3），鰭固接。導(dǎo)流板用低成本高強度的材料制作而成板以后，管線周圍流場以及壓力場發(fā)生相應(yīng)刷的深度和范圍，提高管線沖刷的速度(n and Bijker, 1989[39])，加速管線的自埋[40]。的意義氣田的相繼開發(fā)，海底管線作為一種海洋工劣的海洋環(huán)境中，與波、流等各種因素相互

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本文編號：2757540