[发明专利]一种水底管道局部冲刷地貌分析方法

说明书

本发明公开了一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，该方法包括：获取待测水底管道局部砂床参数与流场参数并进行模型构建，得到离散元模型和计算流体力学模型；设置离散元模型和计算流体力学模型的边界条件；基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果。通过使用本发明，能够解决现有冲刷分析方法经验性强、无法反映颗粒实际运动情况的问题。本发明作为一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，可广泛应用于海岸动力学技术领域。

技术领域

本发明涉及海岸动力学技术领域，尤其涉及一种水底管道局部冲刷地貌分析方法。

背景技术

管道运输是各类液态气态资源最直接高效的输送方式，管道是资源输送中的“生命线”装备。然而，在运营过程中管道极易被水流冲刷导致裸露和悬空，缩减管道运营寿命，甚至引发严重的事故。在管道运行的过程中，上游水流持续对管道下方的砂床进行冲刷，水流带动管道周围颗粒堆积体表层的若干个单体颗粒，使其产生沿流速方向的运动速度，将其带离砂床，使管道下方产生冲刷坑，并在管道下游形成颗粒堆积砂丘，并最终形成冲刷地貌。

传统管道冲刷模拟方法基于单相模拟方法，采用泥沙输运模型作为边界条件，具有较大的经验性，无法模拟冲刷过程中颗粒的运动状态以及颗粒中水流的运动状态，具有一定的局限性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，能够解决现有冲刷分析方法经验性强、无法反映颗粒实际运动情况的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种水底管道局部冲刷地貌分析方法，包括以下步骤：

获取待测水底管道局部砂床参数与流场参数并进行模型构建，得到离散元模型和计算流体力学模型；

设置离散元模型和计算流体力学模型的边界条件；

基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果。

进一步，所述砂床参数包括颗粒粒径级配、颗粒堆积体摩擦角和颗粒材料密度；所述流场参数包括上游来流流速、摩阻流速、速度零点、波浪周期、波高和波速。

进一步，还包括对砂床参数中的颗粒堆积体进行物性参数实验，得到颗粒粒径、密度和颗粒内摩擦角。

进一步，离散元模型的边界条件包括：

判断到水流流速小于预设阈值，设置为固定边界条件；

判断到水流流速大于预设阈值，在水流方向上设置为周期边界条件，其它方向设置为固定边界条件。

进一步，计算流体力学模型边界条件包括：除去颗粒离散元模型的位置，其余的砂床位置设置为无滑移壁面边界条件，流场顶部设置为对称边界条件，来流入口处设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件。

进一步，来流入口流速使用对数流分布，其计算方程具体如下：

上式中，u_f是摩阻流速，z₀是流速零点。

进一步，所述基于边界条件耦合离散元模型和计算流体力学模型进行数值模拟实验，得到模拟冲刷地貌结果这一步骤，具体包括：

获取待测水底管道周围空间的几何尺寸并使用有限体积法对流场域进行离散，构造计算流体力学计算网格；

获取流场状态并输入离散元模型进行计算，得到颗粒状态；

将颗粒状态输入计算流体力学模型进行计算，根据颗粒在有限体积法网格中的占比计算流场状态并更新结果；

将更新后的结果输入离散元模型进行重复迭代直至设定时间停止计算，得到冲刷地貌结果。