[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

说明书

本发明公开了一种模拟海底管线遭受滑坡竖向冲击作用力的计算机方法，其技术方案要点是包括步骤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，本发明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技术参考。

技术领域

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。

发明内容

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。