波流共同作用下海底子母管线水动力的物理莫型试验研究.pdfVIP

第34卷第4期 海 洋 学 报 V01．34，No．4 ACTA 2012 2012年7月 OCEANOI。OGICASINICA July 波流共同作用下海底子母管线水动力的 物理模型试验研究 成小飞1，王永学1，王国玉1 (1．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024) 摘要：通过物理模型试验研究海底子母管线分别在规则波加流和不规则波加流作用下的水动力特 性。基于Morison方程，采用“等效直径法”分析得到子母管线拖曳力系数cD，惯性力系数CM和 升力系数C。(C吉，CL-)。试验分别考察了流速比U。／u。，母管与海床间隙比e／D及子母管间的相 对缝隙G／D对海底子母管线水动力系数的影响。结果表明水动力系数随U。／u。的增大而减小； 当e／DO．5时，海床对子母管线受力的影响比较明显，CD，CM及C产均随P／D增大而减小， G cf f随e／D增大而增大；对子母管14的相互影响也不可忽略，cD，cM和If均随G／D增大而减 小，C}值随G／D增大而增大。 关键词：波流；海底子母管线；力系数 中图分类号：P754 文献标志码：A 文童编号：0253—4193(2012)04—0172—09 1 引言 实际工程中为了节约经济成本，有时将不等直 径的海洋输油气管线捆在一起以管束的型式出现。 管束一般由1根母(大)管和几根子(小)管组成。一 种比较流行的管束是海底子母管线，它由1根母管 (D)和1根子管(d)组成，子管以一定缝隙(G)位于 母管正上方，整个子母管结构以间隙(e)置于海床 上，如图1所示。 海底子母管线的这种特殊结构形式与单管相 比，其周围的流场形态及水动力特征更加复杂，所以 影响海底子母管线水动力的因素很多，比如Re数 图1海底子母管线 (Reynolds数)、KC数(Keulegan—Carpenter数)、管 线表面的相对糙度、母管与海床的相对间隙及子母 管间的相对缝隙等。对工程设计人员来说，如何准 确计算得到海底子母管线的水动力对管线的稳定设 用拖车试验的方法研究得到了稳定流情况下管线与 计具有非常重要的意义。 海床的相对间隙、Re数的变化对海底子母管线水动 目前国内外关于海底子母管线的大部分研究都 02—12。 收稿日期：201l一10一25；修订日期：2012 基金项目：国家自然科学创新研究群体基金。 作者简介：成小飞(1985～)，男，江苏省如东县人，博士生，主要从事波浪与海洋结构物相互作用的研究。E—mail 万方数据 4期成小飞等：波流共同作用下海底子母管线水动力的物理模型试验研究 值模拟的方法研究了稳定流情况下海底子母管线水 整个模型试验装置布置在水槽的中央，如图2所 动力问题。研究得到了不同Re数下子母管周围的 示。管线模型总长100ClTI，子母管直径分别为8和 20 压力分布、水动力系数以及涡脱落形式。Zhao和 mn2，母管底部与槽底间的间隙为5ITffn。本文研 Cheng[41对稳定流作用下海底子母管线的局部冲刷究的子母管线为刚体。子管为铝棒，母管则用中空铝 进行了数值模拟研究，分析得到了子母管间的相对 管作成，内部充满水，两端封闭，两管表面均光滑。子 缝隙对管线冲刷深度及水动力系数的影响。 母管之间缝隙处每隔200ITllTI加一厚5mm的有机玻 海底子母管线在波浪作用下的研究成果还