一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法与流程

文档序号:20922574 发布日期:2020-05-29 14:20
一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法与流程

本发明涉及一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法。



背景技术:

近年来,随着海洋工程的快速发展,海底管道、电缆等与海洋能源开发直接相关的海底管线设施的铺设数量不断增加,在服役期内这些管线是否稳定直接影响着海洋油气开采、作业人员生命财产及海洋生态环境的安全。但与此同时,海底管线也面临着愈加复杂多变的海洋灾害地质环境,其中海底滑坡是一种频繁发生、影响区域广泛、威胁性极大的海洋土体灾害,其经触发滑动后,在水环境的复杂作用下逐渐演变成海底流滑体,具有体积大、速度快、滑距长等特征,最高滑动速度可达30m/s,将产生强大的冲击力,严重的威胁着海底滑坡易发区及其临近区域海底管线工程设施的稳定与安全。因此,探究海底滑坡对管线的冲击作用对于海底管线工程设施的设计工作而言十分重要。

目前,有关海底滑坡对管线的冲击作用研究中,对于海底滑坡产生的法向冲击作用力(法向作用力方向与滑坡运动方向一致)的评价方法已较为完善,但对于海底滑坡竖向冲击作用力(竖向作用力方向与滑坡运动方向垂直)的研究十分有限,而海底滑坡竖向作用力可能导致管线发生竖向变形或周期性振动,对管线的灾害作用很大,极具工程研究价值;此外,海底管线与海床间距变化这一真实情况对冲击作用力的影响,往往没有被考虑。



技术实现要素:

针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法,该计算机方法能够精确有效的模拟海底管线与海床的间距变化,并对其影响下的冲击作用力进行精准分析。

为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法,包括以下步骤:步骤1:建立海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力三维模型;步骤2:将三维模型进行网格划分,并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积,利用计算方程解出结果;步骤3:根据海底滑坡预判区的海底沉积物取样与测试确定模型参数;步骤4:将得到的参数输入到步骤2所建立好的模型中。

进一步的,步骤1包括:该三维模型内包括几何构型阶段、网格划分阶段、流体计算域设置、材料属性设置以及边界条件设置阶段;

进一步的,步骤1包括:几何构型设置:海底管线为平铺段管线,直径(d)为25mm,流体计算域尺寸为16d(x轴方向)×9d(y轴方向)×1d(z轴方向);管线与海床间可设置不同距离;网格划分设置:采用ansys-workbench中的icem-cfd模块划分网格,整个计算域内划分为非结构化网格(四面体单元),滑移体与管线相互作用的表面设置了5层高密度的边界层网格,网格厚度为2mm;流体计算域设置:将海底流滑体设置为考虑浮力的连续自由表面流,使用不可压缩两相流进行模拟;材料属性设置:在材料流变模型设置部分,重塑屈服强度、屈服黏度和流变指数分别取7.3pa、94pa·s和0.35,以满足经典海相土体组构关系(10%黏土+35%水+55%砂),材料密度设置为1681kg/m3;边界条件设置:滑坡入口设置为稳定流入、速度一定的进入边界(流滑体的运动速度设置为0.48~15.82m/s),出口设为开放边界,而计算域顶部设为自由滑移边界,底部和管道表面均采用粗糙无滑移边界,管线表面的等效粗糙度ks分别设为0.5mm和0.0015mm。

进一步的,步骤2包括:步骤2-1:根据海底滑坡预判区的海底沉积物取样与测试确定可能形成海底滑坡体的沉积物不排水剪切强度、密度等基本物理力学参数;步骤2-2:根据海底管线的工作需要确定拟铺设海底管线的尺寸参数,尺寸参数为海底管线的直径、横截面面积;步骤2-3:根据风险承受等级,预估海底滑坡的滑行速度,并由下式计算出海底滑坡体运动雷诺数:

式中:renon-newtonian为海底滑坡体运动的雷诺数;v为海底滑坡的滑行速度,m/s;ρ和su为海底滑坡体的密度和不排水剪切强度,单位分别为kg/m3和kpa;步骤2-4:考虑海底管线与海床间距的影响,预估海底滑坡冲击管线作用中海底管线-海床间距的尺寸,此处应充分结合海底管线铺设地貌起伏、海床沉积物遭受滑坡体的侵蚀等情况;步骤2-5:基于混合土力学-流体力学理论框架,构建出海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力计算公式,公式为

式中:fv为海底滑坡竖向冲击作用力,n;等式右侧第一项为土力学项,其中a为管线遭受滑坡冲击作用的截面积m2;nv为土体承载力系数,其值可由 算出;式中:h为海底管线与海床间距;d为海底管线的直径;等式右侧第二项为流体力学项,cv为流体升力系数,其值可由 算出,式中:hc为临界海底管线与海床间距;其值可由海底滑坡体运动雷诺数renon-newtonian确定,公式为 式中:ra为海底滑坡冲击管线形成的绕流加速区;δseabed为海底滑坡运动形成边界层的厚度,lx为海底滑坡运动的特征距离,取决于海底滑坡触发区与海底管线的距离;步骤2-6:计算土体承载力系数与流体升力系数,将其与其他相关参数带入混合土力学-流体力学理论框架中,便可以实现对海底管线遭受滑坡竖向作用力的准确预测。

本发明的有益效果:

1、建立三维模型清楚直观的模拟复杂的流体运动;

2、该种计算方法基于混合土力学-流体力学理论框架,可以准确反应出海底滑坡体材料属性对其所形成竖向冲击作用力的影响;综合考虑了海底管线与海床间距变化这一真实情况的影响,使得海底滑坡冲击管线竖向作用力的预测结果更为精确;且经过大量数值仿真和物理模型试验进行检验,具有很好的应用效果,为海底管线遭受滑坡灾害作用力的预测与防灾设计提供了合理依据;

3、通过在海底滑坡与管线相互作用的交界面处设置了5层高密度的边界层网格(网格总厚度为2mm)的设置,能够大幅度的提高相互作用力的模拟精度。

附图说明

图1为建立虚拟模型的流程示意图;

图2为提取数据的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例,对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是,下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向,词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参照图1至2所示,本实施例的一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法,包括以下步骤,如图1所示:

步骤1:建立海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力三维模型;

步骤2:将三维模型划分为网格,并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积,利用计算方程解出结果;

步骤3:根据海底滑坡预判区的海底沉积物取样与测试确定模型参数;

步骤4:将得到的参数输入到步骤2所建立好的模型中。

在上述实施例的基础上,步骤1包括:该三维模型内包括几何构型阶段、网格划分阶段、流体计算域设置、材料属性设置以及边界条件设置;

上述改进具体为:本实施例中的三维模型建立软件可采用商业cfd软件cfx进行模拟分析,建模过程涉及的各子模块包括:geometry几何模块(对应于几何构型阶段)、icem-cfd网格模块(对应于网格划分阶段)、cfx-pre前处理模块(对应于流体计算域设置、材料属性设置、边界条件设置等阶段)、cfx-slover求解模块(对应于数值求解阶段)和cfx-post后处理模块(对应于结果分析阶段),cfx-slover求解模块采用的是有限体积法,也称为控制体积法,其基本思路是将计算域划分为网格,并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积,将待解微分方程(控制方程)对每一个控制体积分,从而得出一组离散方程,有限体积法获得的离散方程,物理上表示的是控制容积的通量平衡,方程中各项近似都含有明确的物理意义;且该方法适用于任意类型的单元网格,便于应用于模拟复杂的流体运动。

在上述实施例的基础上,步骤1包括:

(1)几何构型设置:海底管线为平铺段管线,直径(d)为25mm,流体计算域尺寸为16d(x轴方向)×9d(y轴方向)×1d(z轴方向);管线与海床间可设置不同距离;网格划分设置:采用ansys-workbench中的icem-cfd模块划分网格,整个计算域内划分为非结构化网格(四面体单元),滑移体与管线相互作用的表面设置了5层高密度的边界层网格,网格厚度为2mm;流体计算域设置:将海底流滑体设置为考虑浮力的连续自由表面流,使用不可压缩两相流进行模拟;材料属性设置:在材料流变模型设置部分,重塑屈服强度、屈服黏度和流变指数分别取7.3pa、94pa·s和0.35,以满足经典海相土体组构关系(10%黏土+35%水+55%砂),材料密度设置为1681kg/m3;边界条件设置:滑坡入口设置为稳定流入、速度一定的进入边界(流滑体的运动速度设置为0.48~15.82m/s),出口设为开放边界,而计算域顶部设为自由滑移边界,底部和管道表面均采用粗糙无滑移边界,管线表面的等效粗糙度ks分别设为0.5mm和0.0015mm。。

上述改进具体为:(1)几何构型设置,本实施例所研究的对象为海底管线为平铺段管线,此处直径(d)设置为25mm,流体计算域尺寸为16d(x轴向)×9d(y轴方向)×1d(z轴方向);管线与海床间的距离设置为1d,该距离被zakeri等视为是一种悬浮状态的管线,尽管本研究会在后面各节中讨论不同管线-海床间隙对滑坡冲击管线的影响,但在此处,本节采用与zakeri等相同的设置,以便与其研究结果相比较;此外,滑移体厚度设置为7d;

(2)网格划分设置,本实施例可以采用ansys-workbench中的icem-cfd模块划分网格,整个计算域内划分为非结构化网格(四面体单元),单元数达到25万,其中最大网格尺寸为12mm,并对管线周围进行网格加密(最小尺寸2mm),且滑移体与管线相互作用的表面设置了5层高密度的边界层网格(总厚度2mm),如此能够大幅度的提高模拟精度;

(3)流体计算域设置,将海底流滑体设置为考虑浮力的连续自由表面流,使用不可压缩两相流进行模拟,高速下水和流滑体的运动均采用扩展的标准k-ε湍流模型其中,k为湍流动能(j);ε为湍流动能的耗散率(%);

(4)材料属性设置,假设海底流滑体已充分重塑,在cfx中的材料流变模型设置部分,重塑屈服强度、屈服黏度和流变指数分别取7.3pa、94pa·s和0.35,以满足zakeri等试验中,(10%黏土+35%水+55%砂)组构的流变关系,材料密度设置为1681kg/m3

(5)边界条件设置。滑坡入口设置为稳定流入、速度一定的进入边界(流滑体的运动速度设置为(0.48~15.82m/s),出口设为开放边界,而计算域顶部设为自由滑移边界,底部和管道表面均采用粗糙无滑移边界,为与前人研究进行对比,管线表面的等效粗糙度ks分别设为0.5mm和0.0015mm。

在上述实施例的基础上,步骤2包括:

步骤2-1:根据海底滑坡预判区的海底沉积物取样与测试确定可能形成海底滑坡体的沉积物不排水剪切强度、密度等基本物理力学参数;

步骤2-2:根据海底管线的工作需要确定拟铺设海底管线的尺寸参数,尺寸参数为海底管线的直径、横截面面积;

步骤2-3:根据风险承受等级,预估海底滑坡的滑行速度,并由下式计算出海底滑坡体运动雷诺数:

式中:renon-newtonian为海底滑坡体运动的雷诺数;v为海底滑坡的滑行速度,m/s;ρ和su为海底滑坡体的密度和不排水剪切强度,单位分别为kg/m3和kpa;

步骤2-4:考虑海底管线与海床间距的影响,预估海底滑坡冲击管线作用中海底管线-海床间距的尺寸,此处应充分结合海底管线铺设地貌起伏、海床沉积物遭受滑坡体的侵蚀等情况;

步骤2-5:基于混合土力学-流体力学理论框架,构建出海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力计算公式,公式为

式中:fv为海底滑坡竖向冲击作用力,n;等式右侧第一项为土力学项,其中a为管线遭受滑坡冲击作用的截面积m2;nv为土体承载力系数,其值可由 算出;式中:h为海底管线与海床间距;d为海底管线的直径;等式右侧第二项为流体力学项,cv为流体升力系数,其值可由 算出,式中:hc为临界海底管线与海床间距;其值可由海底滑坡体运动雷诺数renon-newtonian确定,公式为 式中:ra为海底滑坡冲击管线形成的绕流加速区;δseabed为海底滑坡运动形成边界层的厚度,lx为海底滑坡运动的特征距离,取决于海底滑坡触发区与海底管线的距离;

步骤2-6:计算土体承载力系数与流体升力系数,将其与其他相关参数带入混合土力学-流体力学理论框架中,便可以实现对海底管线遭受滑坡竖向作用力的准确预测。

上述改进具体为:所提出的计算方法基于混合土力学-流体力学理论框架,可以准确反应出海底滑坡体材料属性对其所形成竖向冲击作用力的影响;综合考虑了海底管线与海床间距变化这一真实情况的影响,使得海底滑坡冲击管线竖向作用力的预测结果更为精确;且经过大量数值仿真和物理模型试验进行检验,具有很好的应用效果,为海底管线遭受滑坡灾害作用力的预测与防灾设计提供了合理依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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