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从管道尾流区泥沙颗粒的受力平衡着手,探讨了管道冲刷的临界压力差。在此基础上,提出了一种防止或减少管道冲刷的新方法,即在管道下方安装柔性阻流器。通过物理模型试验,研究了单向恒定流及规则波作用下,柔性阻流器对管道两侧床面压力、冲刷深度的影响。试验结果表明:柔性阻流器的安装能明显减小管道两侧床面的压力差。在单向恒定流作用下,管道的冲刷深度随阻流器长度的增加而减小;当阻流器达到临界长度时,冲刷消失。规则波时,因阻流器的扰动作用,冲刷深度有所增加;但随阻流器长度的增加,其扰动作用减小,对床面的防护作用增加,因而冲刷深度减小。 相似文献
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海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技术是一种新型管道自埋技术,为深入了解其作用机制及其效果,本文通过分析安装有阻流板的杭州湾海底管道历年检测资料,结合管道附近海域海床、潮流动力特性,深入探讨了阻流板装置在实际工程中的运行效果,分析了其作用机制及其适用条件。研究发现安装阻流板装置的杭州湾海底管道在往复潮流作用下逐渐埋入海床,其埋入段长度由2005年的50%增加到2013年的80%以上,而且平均埋入深度超过2.6 m,自埋效果较好;而在管道路由与海流平行段或管道敷设于抗冲刷强海床上时,阻流板作用不能有效发挥,管道仍然呈现裸露状态。 相似文献
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采用当地海床的天然粉沙进行试验床面的设计,对海底管道在实际海床受到的极限波浪和最大水流作用进行试验,在管道上方铺设混凝土联锁排,对联锁排块体稳定性和其对管道防护的有效性进行研究。通过物理模型试验,研究了在极限波浪和最大水流作用下,管道在粉沙床面最大冲刷深度。通过不同水深中波流条件下研究了混凝土联锁排防护效果及其周围床面的冲刷变化,观测了联锁排的稳定性。试验结果表明:按半经验半理论简化公式得出的联锁排厚度能满足稳定性的要求,比水利部规范计算的联锁排厚度偏大的公式更加适合应用,试验期间混凝土联锁排的排面稳定,能有效保护管道,在该防护下管道没有冲刷,只在联锁排上下游与床面接触的来流段和尾端有冲刷,但该冲刷深度不影响联锁排整体的稳定性。 相似文献
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深海蕴藏着丰富的多金属结核资源，受海水深度等限制，结核采集目前仍存在巨大挑战。水力式采矿具有结构简单、可靠性高的优势，是目前最具发展前景的采集方式之一。水力式采矿通过水流动力进行结核采集，喷射形成的复杂流场结构直接影响海床上结核颗粒剥离、起动、采集效率和海洋环境扰动强度，采集器离地高度、喷嘴射流角度和速度等具有较大优化空间。基于计算流体力学数值模拟研究了集矿头附近三维水流结构，分析了喷嘴射流速度和结核粒径对局部流场、床面剪切力以及结核采集能效的影响。结果表明：集矿头周围流场存在典型分区结构，包括淹没射流区、冲击区、壁面射流区、汇合区和上升区；随着喷射流速增大，最大床面剪切力近似线性增长，结核有效起动面积指数增长；随着结核粒径增大，有效起动面积减小，结核采集能效降低；综合考虑结核采集强度和采集能效，建议采集器喷射流速取8～9 m/s。 相似文献
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本文基于OpenFOAM建立三维波浪数值水槽,模拟计算植被水域波浪作用下的床面切应力,分析了入射波高、植被密度、植被淹没高度、水流对植被水域波浪作用下床面切应力的影响。结果表明:纯波时,由于植被的阻水作用,植被水域床面切应力沿程衰减,其衰减程度与入射波高、植被密度及植被淹没高度呈现正相关;与纯波时相比,在波浪和同向流共同作用下正向床面切应力幅值增大,负向床面切应力幅值减小;弱水流对植被水域床面切应力的大小及分布无明显影响;强水流时,床面切应力在植被水域先增大后逐渐减小并在植被水域后显著降低。 相似文献
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通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程，分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验，建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式，并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验，在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上，结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系，建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。 相似文献
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基于大涡模拟与被动示踪物模型的人工鱼礁数值研究 总被引：1，自引：0，他引：1
投放人工鱼礁是解决海洋生态环境问题的重要措施之一。通过使用并行大涡模拟模式（the parallelizeda large-eddy simulation model,PALM）及被动示踪物模型模块,研究了不同流速条件（0.1,0.2,0.4和0.6 m/s）下方型人工鱼礁对流场形态、营养盐的抬升作用、和湍流动能收支的影响。研究表明,鱼礁的存在使得其附近垂向速度增大,产生上升流。受到上升流的抬升作用,鱼礁底部的示踪物迅速进入海洋上层,之后遇到鱼礁后方的背涡流,示踪物的抬升受阻,高度逐渐降低。在上升流区域以及背涡流区域的共同影响下,示踪物抬升区域的最大高度与来流流速无关。不同上升流定义对应的上升流区域的高度与来流流速均不相关;上升流区域的最大速度、平均速度与来流流速都成线性增加的关系;然而随着来流流速的增大,不同上升流定义对应的上升流区域面积的变化趋势却完全不同。投放鱼礁后,鱼礁区域底部的混合增强,区域底部的能量被输运至上层。这说明,鱼礁的存在不仅对营养物质具有抬升作用,还能将能量向上输运。 相似文献
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波浪作用下床面摩阻系数对于波浪变形和床面剪应力的准确计算,乃至海岸泥沙运动的合理描述具有重要意义。在收集大量波浪边界层和床面剪应力测量数据的基础上,建立了波浪作用下光滑和粗糙紊流边界层床面摩阻系数的显式计算公式,并进一步建立了可涵盖波浪边界层所有流态的摩阻系数显式计算公式,该公式具有不需迭代、不需判断流态、应用方便的特点。 相似文献
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《中国海洋大学学报(自然科学版)》2016,(8)
应用CFD软件FLUENT开展了圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值计算,对比分析了圆台型人工鱼礁与金字塔型、三棱柱型、方型人工鱼礁的上升流最大高度、最大速度、平均速度等参数,讨论了圆台型礁的背涡区尺寸和流态。研究显示,圆台型礁的上升流最大高度可达礁体高度的2.14~2.17倍,上升流最大速度可达来流速度的0.76倍,上升流平均速度可达来流速度的0.125倍;背涡区长度约为礁体高度的2.3倍。研究结果表明,圆台型人工鱼礁流场流态的大部分指标优于其它4种常见礁型的流场流态,且背涡区漩涡多变、流态复杂,具有较好的应用前景。 相似文献
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本文基于历年检测资料统计分析了杭州湾海底输油管道裸露埋深状态变化规律,结合水文地形测量资料、辅以数学模型手段,从Spoiler自埋设计、杭州湾水流特性、管道路由海床演变特性以及人类活动等多因素探索了杭州湾海底管道裸露埋深状态变化的原因。研究结果表明:杭州湾管道80%以上处于埋深状态,局部管段长期裸露,裸露管段主要位于北岸深槽和庵东边滩滩坡区域;管道冲刷与管道路由海床演变特性、水流与管道夹角以及Spoiler自埋设计的发挥密不可分;杭州湾南岸围垦工程的实施与该区域管道裸露、掩埋状态密切相关。 相似文献
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近壁圆柱绕流问题在海底悬跨管道的研究中具有重要的意义。在绕流阻力、升力以及海底土壤的耦合作用下,海底管道所发生的移位、悬跨等现象对于海底管道的安全运行构成了很大的威胁。正确预测各种绕流条件下管流之间的作用力是保证油气管道安全的首要任务。海底管道在极端海洋环境条件下的管、流相互作用为高雷诺数绕流问题,处于高雷诺数下的绕流模拟比处于低雷诺数下的绕流模拟要复杂很多,它需要更精细的网格以及合适的湍流模型。此文对处于悬跨状态下的海底管道进行数值研究,给出不同间隙比下海流绕流海底管道的流场结构形态,分析了间隙比对绕流阻力和绕流升力的影响,为进一步研究海底悬跨管道的受力和变形提供载荷边界数据。 相似文献
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抛锚作业给跨航道海底管道带来的安全风险问题越来越引起人们的关注。为了加强海底管道防冲击能力、保障管道的安全运营,针对抛锚冲击作用下的管道埋深进行研究。通过建立小尺寸抛锚冲击管道实验平台,获得了冲击荷载作用下抛锚高度、管道埋深、堆石材质等参量对管道响应的影响。并基于正交实验原理,综合分析了不同参量对管道响应的敏感性。利用有限元法对抛锚冲击管道的过程进行瞬态动力分析,进一步研究了堆石材料力学特性对管道埋深的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,堆石层的材料特性对冲击能量的耗散起着重要作用。通过将数值分析结果与实验数据作对比,并结合DNV规范中的能量计算方法,提出了抛锚冲击荷载作用下管道最小埋深的计算方法。研究成果为海底管道的安全铺设提供一定的理论指导。 相似文献
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海底输油管线是海洋油气田开发的生命线工程,在复杂的海洋环境中易发生破坏.为使管线实现自埋防护,提出用柔性材料代替刚性导流板安装在管线顶部,不仅可以增加阻水面积,加大冲刷深度和范围,而且可以减缓刚性导流板对管线上部水流的扰动强度和尾流涡旋的扰动强度,减小管线的振动.利用力学关系由变形方程推导出海底管线与海底间距离为零以及不为零情况下柔性导流板变形的二次曲面方程和自由端最大挠度.在单向流条件下将不同材料不同长度的柔性导流板安装在管线中轴上方开展试验研究,测量柔性导流板在水流作用下的变形曲面.对比分析利用公式计算柔性导流板的自由端最大挠度和曲面变形数据与试验结果,发现两者吻合较好. 相似文献
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为研究内孤立波与沙波的相互作用，本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进，建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上，在南海北部典型代表性条件下，模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明，内孤立波逐渐离开沙波时，海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速，在内孤立波导致的流场作用下，沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m3的悬沙浓度。 相似文献
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采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证，该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性，证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解，即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中，发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度，冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后，管道后方出现周期性脱落的涡旋，沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势，首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度，对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。 相似文献
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《热带海洋学报》2016,(5)
深海热液羽流系统对研究海底岩石圈和海洋之间的热量与物质输运及深海生物活动等科学问题具有重要意义。文章对温度层结环境中的二维轴对称热液羽流进行了数值模拟。计算结果表明,热液羽流上升过程中温度不断降低,浮力减小,在层结作用下达到最大上升高度。羽流垂向速度在羽流中心区域呈柱状分布,随着高度的增加速度值逐渐减少。计算得到的羽流最大上升高度和底部羽流半径与经典的MTT理论结果进行了对比,两者基本一致。而后随着时间增加,热液羽流顶部开始横向输运形成蘑菇状。示踪物浓度反映的羽流半径在高度0~50m保持不变,50m以上区域羽流最大半径随时间越来越大,在1.39h时不到30m,发展到100h后羽流半径达到150m。 相似文献
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在河口海岸工程中,常常会面临岸滩冲蚀、岸线演变、航道淤积、建筑物底部淘刷等涉及泥沙起动和输运的问题,而水流对底床的剪切力是研究泥沙起动与输运的重要参数。本文利用自行设计的底床剪切力测量装置,在不同流速的水流中,分别在固定砂床(定床)和可移动砂床(动床)上进行了底部剪切力的直接测量;同时,根据试验中声学多普勒流速仪(ADV)测得的流速信息,采用湍流动能法对底床剪切力进行了估算。结果显示:当比例系数取值0.19时,估算出的底床剪切力与测量值吻合较好。对测量结果进行分析后发现,流速较小、砂粒未起动时,动、定砂床上的底部剪切力大致相同;在有砂粒起动的情况下,动床上的底部剪切力比定床上的大,相对差值最大约20%。因此当涉及底床剪切力的问题时,需要先确认床面形式,然后再进行分析研究。 相似文献
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对安装在海上风电钢管桩基础上的升降式网箱结构的波浪场特性进行研究，掌握升降式网箱结构内部及结构后方水体的运动特征及速度场变化情况。基于OpenFOAM软件包开发了波、流与孔隙介质结构相互作用的数值计算模型，将网箱结构按等效阻力简化为多孔介质结构，开展升降式网箱结构的波浪场特性研究。研究结果表明：网箱结构对流体具有一定的阻流作用，网箱结构内部速度场得到一定程度的减小，网箱结构背浪侧也有一定的速度衰减区域；对比网箱结构顶部不同潜深条件下的网箱结构内部流场特征，网箱结构顶部潜深在1/4D~1/2D（D为水深）范围内网箱结构内部流场速度最小、流场最为稳定、速度分布均匀，网箱结构向浪侧前方和背浪侧后方流场波动较小。所得结论表明在钢管桩基础上安装升降式网箱结构时需要关注的网箱结构对流场特性的影响，充分考虑网箱结构阻力对流速的作用，掌握极端工况下升降式网箱结构保持优良养殖环境需要下潜的高度范围，以保障升降式网箱的安全。 相似文献