海洋桩基及管线周围海床的局部冲刷问题研究

论文摘要

海洋风能的开发离不开海洋基础设施的建造,目前全球范围内海上风机装机量持续增高,桩基与海底管线是海上风机发电输电系统直接与海床土体接触的重要组成部分,长期承受着波浪、海流等海洋荷载的作用,这种长期、持续的海洋荷载极易导致桩基和管线周围海床发生局部冲刷问题,降低基础承载力,严重的还会导致桩基失稳或者管线断裂。因此,研究桩基和管线在海洋荷载下的局部冲刷问题具有重要的现实意义。本文通过数值模拟和理论分析等手段,对近海桩基和海底管线在海洋环境中的局部冲刷问题进行了研究,主要研究内容和结论包括:海洋单桩和群桩基础在海流荷载下的局部冲刷问题研究。建立流体-桩基-可冲刷海床三维耦合数值模型,流体运动控制方程为包含面积积分和体积积分项的N-S方程及RNG k-?湍流模型,桩周局部冲刷采用泥沙输运模型进行计算。分别研究单桩和群桩在海流荷载下的局部冲刷问题,探讨群桩基础的排列方式及桩间距对局部冲刷的影响,并对桩周海床的局部冲刷对桩基和海床在波-流荷载下的响应的影响进行探讨。研究结果表明:单桩基础中桩前的马蹄形旋涡、两侧的加速绕流流体以及后方的尾迹旋涡共同引起桩周局部冲刷。桩周最大冲刷深度出现在桩前两侧45°位置处,最大冲刷深度受流体、泥沙和桩基参数共同影响。群桩基础局部冲刷受桩间距和水流夹角影响明显。基于数值结果提出海洋环境中单桩基础局部冲刷深度计算公式及下游桩基局部冲刷深度计算方法。波浪引起桩基和海床响应研究及局部冲刷对桩周海床响应的影响。建立包含波浪、桩基以及海床的三维模型研究波浪桩基和海床动态响应。流体部分子模型的控制方程为N-S方程与RNG k-?湍流模型,土体部分子模型的控制方程为Biot方程的部分动力方程“u-p”,两个子模型在流体与桩基和海床交界面上通过数据交换实现单向耦合计算。研究结果表明:单桩基础和海床在周期性变化的波浪荷载作用下呈现相应的响应,桩身最大正、负弯矩位于海床面以下约z=-1.5 m处。桩周液化深度在当前计算条件可达桩径的4.13倍。群桩基础中桩间距以及桩顶平台约束对桩基在波浪荷载下的响应影响显著。波-流同向时桩基的水平位移和桩身弯矩增大,波-流逆向时水平位移和桩身弯矩减小,桩周海床的局部冲刷对桩基桩基和海床在波-流荷载下的响应影响明显,桩身水平位移和桩身弯矩随着桩周局部冲刷深度的增加而增大。海流引起海底管线局部冲刷问题研究。建立流体-管线-可冲刷海床二维耦合数值模型,研究海底管线的局部冲刷问题。流体运动控制方程为包含面积积分和体积积分项的N-S方程及RNG k-?湍流模型,管线周围海床的局部冲刷采用泥沙输运模型计算。研究海流约化速度、管线初始间隙比以及泥沙颗粒中值粒径对管线局部冲刷的影响。通过量纲分析和多元回归方法,建立考虑多参数的管线局部冲刷深度计算公式,用数值结果及文献中的试验结果对建立的管线冲刷深度计算公式的准确性进行验证,计算公式可为实际工程预测管线冲刷深度提供参考。海底管线涡激振动与局部冲刷耦合计算。基于固定管线局部冲刷基础上,考虑管线涡激振动对局部冲刷的影响,提出考虑管线涡激振动与局部冲刷耦合计算方法。对固定管线、单自由度振动管线、双自由度振动管线的局部冲刷进行对比,分析流体约化速度、管线初始间隙比以及管线直径对管线振幅以及海床局部冲刷的影响,并对两根并排管线的涡激振动和局部冲刷耦合问题进行分析。研究结果表明:管线振动会大幅增加管线的冲刷深度以及冲刷坑范围。管线后方脱落的旋涡形状、强度和运动方向与冲刷坑的形态变化在整个冲刷过程中持续相互影响。无论是对于单自由度还是双自由度振动管线,引起管线额外冲刷深度主要取决于管线的横向振幅,但是双自由度振动管线的顺流向振动会减弱管线下游的泥沙堆积。两根并排管线的涡激振动和局部冲刷耦合问题中两根管线相互影响显著,上下游管线最大振幅均出现在G/D=2的情况下,而上下游管线最大冲刷深度出现在G/D=1的情况。管线间距为G/D=1、2时,上下游管线后方脱落的旋涡相互影响明显。当管线间隙比大于2时上游管线的局部冲刷深度基本不受下游管线影响,下游管线冲刷深度却随着管线间距比的增加而逐渐减小。

论文目录

摘要

ABSTRACT

主要符号说明

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 海洋桩基局部冲刷研究现状

1.2.2 海底管线局部冲刷研究现状

1.2.3 波浪引起桩基与海床响应

1.2.4 研究现状评述

1.3 本文主要研究内容及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 论文创新点

第二章海流作用下桩基局部冲刷数值计算

2.1 概述

2.2 海床冲刷计算理论与数值模型建立

2.2.1 水动力模型

2.2.2 湍流模型

2.2.3 泥沙输运模型

2.2.4 水动力方程离散

2.2.5 边界条件及网格划分

2.3 单桩基础局部冲刷数值分析

2.3.1 数值模型验证

2.3.2 桩周流场分布及局部冲刷结果分析

2.4 群桩基础局部冲刷数值分析

2.5 海洋桩基局部冲刷深度计算公式建立

2.5.1 单桩基础局部冲刷计算公式建立

2.5.2 下游桩基局部冲刷深度计算方法

2.6 本章小结

第三章波浪引起桩基和海床响应及局部冲刷的影响

3.1 概述

3.2 海床响应控制方程与数值模型建立

3.2.1 海床响应控制方程

3.2.2 边界条件

3.2.3 网格划分

3.2.4 数值造波与海床土响应验证

3.3 波浪引起单桩基础与海床响应

3.4 波浪引起群桩基础与海床响应

3.5 桩周局部冲刷对桩周海床的影响

3.6 本章小结

第四章海流作用下海底管线局部冲刷数值计算

4.1 概述

4.2 控制方程与数值模型建立

4.3 管线局部冲刷模型验证

4.4 管线局部冲刷数值计算

4.5 考虑多参数的管线局部冲刷深度计算公式建立

4.6 管线局部刷深度计算公式验证

4.7 本章小结

第五章海底管线涡激振动与局部冲刷耦合数值计算

5.1 概述

5.2 管线涡激振动与局部冲刷耦合计算方法

5.3 管线涡激振动验证

5.4 管线振动与局部冲刷的参数分析

5.4.1 固定管线与单自由度振动管线对比

5.4.2 单自由度与双自由度管线振动对比

5.4.3 管线涡激振动与局部冲刷参数分析

5.5 考虑管线涡激振动的局部冲刷深度公式建立

5.6 本章小结

第六章两根并排管线涡激振动与局部冲刷耦合数值计算

6.1 概述

6.2 数值模型建立

6.3 管线间距变化对管线振动及冲刷的影响

6.3.1 管线间距对冲刷深度的影响

6.3.2 管线间距对旋涡脱落的影响

6.3.3 管线间距对管线振动的影响

6.3.4 上下游管线振动的相互影响

6.4 本章小结

第七章结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张琪

导师: 王建华,夏小和,周香莲

关键词: 海洋桩基,海底管线,局部冲刷,涡激振动,耦合模型

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,建筑科学与工程

单位: 上海交通大学

基金: 国家自然科学基金项目资助:41472250,国家自然科学基金项目资助:41572243

分类号: TU473.1;P75

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000632

总页数: 166

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