海底管道局部冲刷数值模拟及预测方法研究

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目前,海底管道已经成为海上能源运输的重要环节。海底管道的铺设距离很长,而且铺设水深从几十米到几百米不等。在恶劣的海底环境中管道要承受各种海洋载荷的作用,波浪或者海流的影响容易引起管道周围的冲刷。因此,进行海底管道冲刷机理及防护措施研究十分重要。运用Flow-3D建立数值模型对海底管道局部冲刷分析,确定主要影响参数。将数值模型与文献中的水槽试验进行对比,结果表明模型可以较准确地计算局部冲刷问题;将冲刷过程分为间隙冲刷、尾流冲刷和平衡冲刷三个阶段,运用数值模型对海底管道的局部冲刷过程进行分析,研究流速、泥沙粒径以及管道对局部冲刷的影响程度。研究表明:冲刷深度随流速的增加而增大,而泥沙粒径的变化对冲刷深度影响不大。管径越大,则冲刷地形变化范围越宽,但冲刷前期发展减缓。随着管道的悬跨高度增加,管道对海床冲刷的影响逐渐减小,冲刷达到平衡的速度加快。基于机器学习方法建立管道平衡冲刷深度的预测模型,开展参数敏感性分析。基于人工神经网络等方法,考虑影响因素建立三种冲刷深度预测模型,并将预测值与实际值进行比较。结果表明:遗传算法优化的BP神经网络方法预测精度最高,傅汝德数是对冲刷深度影响最大的因素。同时发现,海流入射角度对冲刷深度预测精度有一定的影响,且偏差会随着入射角的增大而增大。建立混凝土连锁排数值模型,并对不同混凝土连锁排下的流场变化和降流促淤效果分析。首先对混凝土联锁排设计和受力分析,设计了三种尺寸和形状的混凝土排块,发现较小尺寸和八棱柱形状的混凝土联锁排对流速的降低效果最显著。然后将有无覆盖混凝土联锁排的冲刷悬跨管道进行对比,结果表明覆盖有混凝土联锁排管道出现泥沙淤积,对冲刷防护治理效果较好。综上所述,本文在海底管道局部冲刷的数值模拟、管道平衡冲刷深度的预测方法等方面提供了新的思路,混凝土联锁排的优化设计研究为悬跨管道的防护措施提供技术参考。
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