海底管线三维冲刷的数值模拟

论文摘要

据联合国统计,世界上约有一半人口生活距离海洋60公里范围以内,四分之三的大城市都位于海岸,污水可能在街道上未经处理而流入湖泊或河流,对当地沿海环境造成污染。在现今全球环境保护的严格要求下,作为沿海地区可持续水管理战略的重要组成部分,海底排污管道被大量应用。当在海底铺设了排污管道后,不仅需要确定污水混合区的位置和范围,还需要考虑水体的功能发挥和自然生态平衡,控制污水的排放。此外,海底管道的铺设,会引发水流、床面和管道的耦合作用,从而改变局部流场,引起海底管道周围强烈冲刷,导致管道大范围悬空,最终影响了结构物的稳定性,造成一定的经济损失。因此,研究海底排污管道的安全稳定和影响范围对海洋生态环境具有重大意义。本文通过FLUENT软件中的用户自定义函数UDFs（User-Defined-Functions）进行了二次开发,耦合了基于有限差分方法求解的泥沙输运模型,针对海底管道附近的流动和冲刷现象建立了数值模型。通过计算输沙率得到床面的高程变化,从而模拟海底床面的推移质运动,并使用动网格技术更新床面计算网格。面对流动时间尺度与泥沙输运时间尺度的差异问题,采用了不同的时间步长来提高计算效率。将数值模拟得到的结果与前人的实验数据进行比较,验证了该模型的有效性,并利用该数值模型模拟了管道附近的三维冲刷发展过程,探索了不同来流希尔兹参数条件下管道端部冲坑的发展规律和流场变化情况。同时,使用验证良好的数值模型进一步在管口设置了出口流速的若干工况下进行了应用,得出水下排污管道管口出流时对床面冲刷和流场形态的影响。同时,本文的计算方法可以很方便地推广到其它局部冲刷过程的模拟研究中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 研究意义
•     1.1.3 管道冲刷机理
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 实验研究
•     1.2.2 数值模拟和理论分析
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 数学模型与数值方法
•   2.1 数学模型
•     2.1.1 湍流模型
•     2.1.2 床面变形方程
•     2.1.3 泥沙起动条件
•   2.2 数值方法
•     2.2.1 求解方法
•     2.2.2 泥沙滑移模型
•     2.2.3 动网格更新
•     2.2.4 时间耦合方法
•     2.2.5 边界条件
•   2.3 本章小结
• 第三章 数值模型准确性验证
•   3.1 计算域和网格设置
•   3.2 边界条件和参数选定
•   3.3 二维对称面上的流场性质
•   3.4 冲刷结果与准确性验证
•   3.5 本章小结
• 第四章 管道附近床面的三维冲刷
•   4.1 不同来流希尔兹数下的三维冲刷
•     4.1.1 计算域和网格设置
•     4.1.2 边界条件与计算工况
•     4.1.3 不同来流希尔兹数下的流动形态
•     4.1.4 三维床面冲刷结果
•   4.2 管口出流的模拟
•     4.2.1 流场性质和压力分布
•     4.2.2 冲刷结果的比较与分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 主要研究结论
•   5.2 模型局限性
•   5.3 后续研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 史舒婧

导师: 梁东方

关键词: 海底管道,三维冲刷,用户自定义函数

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

分类号: P756.2;TU992

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001855

总页数: 78

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