海底管道局部冲刷过程及影响因素数值模拟研究学术报告

作者及机构
本项研究由浙江海洋大学船舶与海运学院的Ke Hu（第一作者）、Xinglan Bai（通讯作者）与巴西里约热内卢联邦大学海洋工程项目的Murilo A. Vaz合作完成，研究成果发表于期刊*Journal of Marine Science and Engineering*（JMSE）2023年1月第11卷第234期，论文标题为《Numerical Simulation on the Local Scour Processing and Influencing Factors of Submarine Pipeline》。

学术背景
随着陆地资源枯竭，海洋能源开发成为重要方向，海底管道作为油气输送的关键设施，其安全性面临海流冲刷导致的局部掏蚀威胁。冲刷会导致管道悬空、应力集中甚至疲劳断裂。尽管前人通过实验和数值模拟研究了管道冲刷机制（如Kjeldsen、Mao、Chiew等），但针对冲刷动态过程及多因素耦合影响的系统性数值分析仍存在空白。本研究旨在通过二维水动力-泥沙输运耦合模型，揭示稳态流条件下海底管道局部冲刷的演化规律及关键影响因素（流速、泥沙粒径、管道直径、初始间隙等），为工程防护提供理论依据。

研究流程与方法
1. 模型构建与验证
- 软件与算法：采用商业软件FLOW-3D，结合VOF（Volume of Fluid）方法追踪水沙界面，利用FAVOR（Fractional Area/Volume Obstacle Representation）技术处理复杂几何边界。
- 湍流模型：选用RNG k-ε模型模拟管道周围流场，其控制方程包括连续性方程（式1）、湍流动能传输方程（式2）及耗散率方程（式3）。
- 泥沙起动条件：以床面瞬时剪切应力为临界条件，引入修正的Shields参数（式4-6）及泥沙抬升速度公式（式7）。
- 实验验证：以Mao（1987）的经典水槽实验数据为基准，对比平衡冲刷深度与地形。结果显示，数值模拟的平衡冲刷深度在清水条件下较实验值高2.3%，动床条件下高6.7%，地形形态高度吻合（图2-3），验证了模型的可靠性。

1. 网格独立性检验
   通过三种网格密度（41,000、52,000、67,600单元）模拟动床冲刷，发现52,000网格在计算效率与精度间达到最优平衡（表1），冲刷深度差异小于2%。

2. 冲刷过程模拟

   • 研究对象：管道直径D=0.15 m，水深0.5 m，泥沙中值粒径d50=0.4 mm，密度2650 kg/m³，初始间隙e/D=0（管道直接接触海床）。
     
   • 三阶段划分：
     
     • 间隙冲刷（Clearance scour）：管道上下游压差引发渗流，形成初始冲刷隧道（图5，t=50-250 s）。
       
     • 尾流冲刷（Wake scour）：冲刷坑扩大至管道直径量级（t=1000 s），涡脱落导致下游沉积沙丘。
       
     • 平衡冲刷（Equilibrium scour）：剪切应力与临界值平衡（t=6000 s），地形不再变化（图6-7）。
       

3. 多因素分析

   • 流速（v）：0.28-0.46 m/s范围内，平衡冲刷深度从0.049 m增至0.079 m（图8a），且冲刷范围与下游沙丘体积显著扩大。
     
   • 泥沙粒径（d50）：0.2-0.5 mm变化时，冲刷深度随粒径减小而增加（图9a），但影响较弱；小粒径（0.2 mm）下沉积范围更广（图9b）。
     
   • 管道直径（D）：0.1-0.2 m范围内，大直径管道（0.2 m）冲刷发展延迟，但最终冲刷地形更剧烈（图10）。
     
   • 初始间隙（e/D）：间隙增大（0-0.5）缩短平衡时间，但下游沉积形态相似（图11）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 剪切应力主导机制：床面剪切应力超额（τe=τ-τc）是冲刷的直接驱动力（式13）。初期隧道内τe峰值达3.43 Pa（图6，t=250 s），伴随流速0.72 m/s（图7），导致快速冲刷；后期τe趋近零，冲刷停止。
2. 流速的显著性：高流速下剪切应力与输沙率显著提升，冲刷深度呈非线性增长（图8）。
3. 工程启示：减小初始间隙（e/D）或增大管道直径可延缓冲刷，但需权衡成本与效果。

结论与价值
1. 科学价值：
- 首次通过数值模拟完整呈现了海底管道冲刷的三阶段动态过程，明确了剪切应力的核心作用。
- 量化了流速、粒径、管道尺寸等多因素的独立影响，弥补了传统实验参数有限的不足。
2. 应用价值：
- 为管道铺设间距、防腐设计提供理论依据，例如在高速流区域优先采用大直径管道。
- 提出的RNG k-ε-VOF耦合模型可扩展至波浪-流复合工况研究。

研究亮点
1. 方法创新：将FAVOR技术与泥沙输运模型结合，实现了复杂边界下冲刷地形的精确模拟。
2. 动态过程揭示：首次通过数值手段解析了冲刷从萌生到平衡的全周期演化。
3. 多因素耦合分析：系统性探讨了四类工程敏感参数的影响，结论可直接指导设计。

其他价值
研究受国家自然科学基金（52171279）、浙江省自然科学基金重点项目（LZ21E090003）等资助，模型代码与数据可为后续研究提供基准验证案例。