[发明专利]一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法

说明书

本发明属于海洋工程、港口、海岸及近海工程研究领域，提出了一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法，对水下结构物的局部冲刷进行准确预报。本发明基于土体的表观冲刷速率，建立了可针对水下结构物局部冲刷进行准确预报的方法，有效克服泥沙局部冲刷物理实验比尺效应难题；适合任意结构形式在任意沉积物类型条件下的局部冲刷预报；本发明将水下结构泥沙局部冲刷问题转化成为传统的海洋工程水动力学问题。本发明可以考虑流动条件随时间的变化以及流动方向的变化，这在以往的局部冲刷分析预报模型中是无法考虑的。本发明所提出的方法可以直接应用到水下结构物的局部冲刷预报，在位稳定性以及防冲刷措施设计等研究领域。

技术领域

本发明涉及海洋工程、港口、海岸及近海工程研究领域，具体涉及一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法。

背景技术

各类水下结构物，如海底管缆、固定式风机基础、水下生产系统、固定式海上采油平台基础等，在流体流动的作用下，极易诱发这些结构物周围发生严重的局部冲刷，导致结构发生在位失稳破坏，造成巨大的经济损失和环境灾难。因此，国内外的众多学者针对水下结构的局部冲刷问题开展了诸多研究工作。

水下结构的局部冲刷问题涉及到流体-结构-海床之间的强烈非线性相互作用，该物理过程具有明显的三维特性。对于水下结构局部冲刷的研究，数值模拟面临着计算量大的巨大挑战，难以在短时间内获得水下结构的冲淤特性。此外，数值模拟通常采用流体流动+湍流封闭模型+泥沙输运的模式开展，有关泥沙输运模型(推移质和悬移质输沙)都是在松散均匀沙的基础上建立的。我国近海海域的海底沉积物以淤泥质、粉砂质为主，与松散均匀沙相比(不具有粘性效应)，这些海底沉积物形式往往具有迥然不同的起动条件和输运特性，使得针对原型水下结构冲刷的数值预报会产生较大的误差。因此，现阶段有关水下结构局部冲刷的研究工作主要依赖室内物理实验。但是，受限于实验室水槽或水池尺寸的限制，必须将原型水下结构进行几何缩尺才能开展物理实验。因此，相关的物理实验结果将不可避免地受到模型比尺效应的影响。模型的比尺效应主要体现在以下的几个方面：1)影响水下结构物局部冲刷的参数众多，目前没有任何一种相似律可以满足所有物理参数的相似要求；2)泥沙颗粒不能按照几何比尺进行缩尺，否则会导致泥沙物理、力学特性的重大改变，使得实验结果失真。因此，目前有关水下结构物局部冲刷的物理实验均是偏态的；3)目前的水下结构物局部冲刷基本只考虑弗汝德相似，忽略了雷诺相似。这主要是因为弗汝德相似和雷诺相似天然相悖，无法得到同时满足。而实际的情况为，雷诺数会深刻影响结构物周围的流态，进而影响到基础的局部冲刷；4)现行的物理实验结果外推到原型的精度强烈依赖于对主控变量的选择。实际上，影响水下结构局部冲刷的参数之间是相互关联、耦合的，他们共同决定了水下结构周围的冲刷特性，这使得主控变量的选择较为困难。上述这些因素导致实验室物理实验的结果在进行原型外推时会产生较大的误差，并且误差难以量化，甚至会造成不同的研究者针对同一原型水下结构局部冲刷进行模型化外推预报时的结果也会千差万别，这些因素极大地限制了实验室物理实验结果的工程应用价值。

此外，还有较多的学者没有考虑局部冲刷物理实验中的比尺效应问题，而是针对特定的水下结构形式，基于对大量物理实验的观测结果的归纳、总结和分析，建立了相关的经验预报公式，直接用于水下结构物局部冲刷的预报工作，以水下垂直圆柱结构为例，在单向流作用下平衡冲刷深度的经验预报公式如下：

上式中，S_c表示垂直圆柱在单向流作用下的平衡冲刷深度，D表示垂直圆柱的直径。对于波浪作用下垂直圆柱的局部冲刷平衡深度公式如下式所示：

其中，S_w表示波浪作用下垂直圆柱的平衡冲刷深度，KC＝U_wT/D表示Keulegan-Carpenter数，U_w表示波浪边界层外水质点流速的幅值，T表示波浪周期。该公式的有效范围为KC≥6，其主要原因在于当KC6时，圆柱前方的马蹄涡无法形成，而马蹄涡是圆柱结构发生局部冲刷的根本原因，此时不会发生局部冲刷。