圆柱振荡绕流对淤泥床的冲蚀＋-空气动力学学报.PDF

第18卷增刊 空气动力学学报 V01．18 2000年3月 AClAAERoDYNAMICASINICA liar．．2000 圆柱振荡绕流对淤泥床的冲蚀+ 浦群 李坤 中国科学院力学研究所，北京100080 ． 摘要 本文实验研究不同圆柱直径和不同韧始圜柱与床面距离时圈柱振荔绕流对其 下方淤泥介质床面的冲蚀作用．实验得到了在产生冲蚀的临界条件下囿柱与床面初始无量 纲臣高随振藩流Kc数的变化提律．由于不同的无量纲甸距下圈柱振荡绕流分离流动的旋涡 运动类型的不同．形成了冲蚀床表面的不同类型的表面冲蚀圈象． 关键词 振茹流；冲蚀；圈柱绕流t淤泥床；冲蚀图象 2：TVl49；P7562 中圈分类号Tvl31 0引言 随着海上油气资源开发的日益发展，海底管线自勺应用也越来越多．海底臂线通常处于 恶劣的环境之中，在波浪和海流作用下，管线周围的海床冲蚀可使管线悬空超过设计高度 而产生断裂，或因产生振荡力，在长时间作用下使管线疲劳破坏，因此管线周围的冲蚀是 管线安全经济设计需要考虑的重要因素【l】．管线周围的冲蚀受流动、地形、土质等多种环 境因素的影响．现象十分复杂．从流体力学的角度看，波浪中管线的冲蚀涉及非定常往复 运动中的旋涡分离流动．因为产生床面冲蚀，床面边界处于动态变化之中，边界的改变以 及床质进入水体．都会使绕管线的旋涡分离流动与固壁平板床[2】有所不同：从泥沙起动 和输运来看，非定常泥沙起动和输运问题是当前泥沙研究的前沿闯愿【3】．加上流动中的强 涡旋流及往复流动中复杂的旋涡相互作用。情况兢更为复杂了；如果考虑悬空管线的涡激 振动反过来对流动及泥沙起动和输运等的影响，则更复杂了。鉴于阀题的复杂性．完全模 拟实际情况几乎不可能，所以在合理的简化条件下进行机理研究和相关性、规律性的研究 十分必要。波浪中管线周围冲蚀的研究相对于均匀单向流要少，但也已推荐了一些工程应 用的相关公式【l“^]．由于考虑的影响因素并不相同，应用条件下也各有局限，且主要针 对砂土床质，床质不周对冲蚀如何影响并不清楚。总之，现有研究表明，由于波浪中管线 周围冲蚀现象极其复杂，对冲蚀发生发展的机理认识还远没有清楚，不同条件下相关规律 的研究也还待扩充和深入． 振荡流动是对波浪运动的重要简化，本文试图通过在不同柱径和不同拄体与床面初始 问距条件下，圆柱振荡绕流对淤泥床的冲蚀的实验研究，从对复杂流动的认识出发，揭示 冲蚀现象，研究冲蚀机理并建立各参数间的有效关联． ·蕾毫自蒜科学基金蠢助理目．中科院4九五。重大礓耳。KZ951-405’支持 奉文于1999年6丹∞日收到 万方数据 空气动力学学报 (2000年)第18卷 1设备、土样、模型和测试 试验在u型振荡水槽中进行，如图l 所示，试验段为0．2×0．2×0．8m3，其F方 有0．035×0．2×0．6m3的十槽，用以放置 床质材料。振荡水槽能实现周期性的简喈 振荡，现用设备的振荡周期为2．59秒。 士样为取自东营港口门外57米深处的淤 泥，其比重为2．7619／cm3，dso=O．0047mm， 分选系数n=2．86，细颗粒百分比为72％。 试验前取适量泥样，加水搅匀至所需初始 窖重，将砂放置于盛有淤泥的大槽中，使 1模型2带砂措试验段3差压估感器4术面 5蝶阀