[发明专利]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

权利要求书

1.一种预测海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述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，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述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，其特征在于：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)；管线与海床间的距离为1D；

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。

4.根据权利要求3所述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，其特征在于：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：

Re_{non-Newtonian}＝ρ·V²/s_u (1)

式中：Re_{non-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s_u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：F_V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；N_V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，C_V为流体升力系数，其值可由算出，式中：H_C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Re_{non-Newtonian}确定，公式为式中：R_a为海底滑坡冲击管线形成的绕流加速区；δ_seabed为海底滑坡运动形成边界层的厚度，l_x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。