| 海底管道水动力载荷的近床面效应研究 |
| 英文题名 | Seabed Proximity Effects on the Hydrodynamic Forces on a Submarine Pipeline
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| 彭晓帆
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| 导师 | 高福平
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| 2016
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 硕士
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| 学位专业 | 工程力学
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| 摘要 | 海底管道是海洋油气开发工程的重要组成部分。在浅海地区铺设海底管道必须考虑波浪和海流等水动力载荷的作用。因管道铺设方式、管道自重沉降以及波浪、海流、地震等环境因素的影响，海底管道可能处于悬跨、平铺于海床上、部分埋入和全部埋入海床土体等多种状态。管道与海床相对位置的不同将改变管道的水动力特性，进而影响海底管道的在位稳定性。本文以海底管道水动力载荷的近床面效应为研究主题，开展了水槽模型试验，旨在系统分析近床面效应对管道水动力载荷的影响。 基于大型流固土耦合水槽模型试验，研究了波流载荷下细砂海床瞬态孔压响应，并与粉土、中砂海床的孔压响应进行了对比。试验结果表明，波浪单独作用下，波浪周期在1.2~2.2 s范围内时，增大周期可导致细砂海床孔压响应幅值的增大；当波浪周期在2.2~2.6 s时，周期对孔压响应幅值的影响相对减小。相同的波浪载荷下，海床浅层土体孔压响应幅值沿深度的衰减速率中砂最小，细砂居中，粉土最大。 基于近刚性床面上管道水动力响应的水槽模型试验结果并结合Morison方程，分析了波流载荷下间隙比e/D在0~1.0（即从管道与底床恰好相接触至管道下底面距底床一倍管径）变化时管道水动力载荷的变化规律。试验结果表明，管道的水平受力和垂向受力随间隙比的减小而逐渐增大，水动力载荷受近床面效应的影响非常显著。波浪单独作用时，管道的惯性力系数、拖曳力系数、向上和向下升力系数在间隙比小于0.5后迅速增加。其中惯性力系数和向上升力系数逐渐增大直至间隙比为零，而拖曳力系数和向下升力系数在间隙比约为0.1时达到极大值，随后又逐渐减小。研究了波流共同作用时，波流流速比Uc/Um为-1.0~+1.0（即水流流速与波浪水质点最大运动速度之比小于1.0，+代表波流同向，-代表波流逆向）时管道水动力载荷的特点。当波流流速比相对较小时，管道水动力系数均有所减小，水流的存在减小了管道的水动力载荷；当波流流速比较大时，管道惯性力系数减小而升力系数有所增大。 波浪载荷下部分埋及全埋管道的水动力响应试验结果表明，随着管道逐渐埋入细砂海床，管道水平受力逐渐减小，在刚好全部埋入海床中（e/D=-1.0）时相对e/D=1.0时的水平力减小约70%。该趋势与DNV规范基本一致。在管道从海床之上逐渐接近海床底面的过程中，管道垂向受力逐渐增大；随着管道逐渐埋入海床，管道的垂向受力继续增大并在刚好全部埋入海床时达到最大值，表现出与DNV规范相反的趋势；随着管道继续深埋，垂向受力开始减小。研究发现，管道垂向受力与管道周围土体的孔压响应密切相关。当管道埋入海床时，管道上边界土体孔压响应增大而下边界孔压响应减小。该现象一定程度上增大了埋管的垂向受力，给埋管的稳定性带来了不利的影响。 |
| 索取号 | 31321
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59452
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| 专题 | 流固耦合系统力学重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
彭晓帆. 海底管道水动力载荷的近床面效应研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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