本發(fā)明屬于海底懸空管纜受力和在位穩(wěn)定性研究領域，涉及一種用于海底懸空管纜受力的改進預報方法。

背景技術：

1、海底管纜結構被廣泛應用于海洋油氣資源輸運、海上風電場電力輸送以及水下通信等領域，其路由往往為幾十公里，投資巨大。上述管纜結構往往直接鋪設于海床，在流體的作用下，管纜會發(fā)生局部沖刷，沖刷坑沿管纜軸向不斷擴展，會形成一定長度的懸跨；此外，海底往往存在各類復雜的海床條件，如礫石、沙波沙脊等，這些海床地形往往會使鋪設其上的海纜形成懸跨。海纜一旦形成懸跨，會導致其所受流體作用力發(fā)生變化，導致其在位失穩(wěn)破壞。上述管纜結構一旦發(fā)生破壞，不但會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至是難以修復的海洋生態(tài)環(huán)境災難。因此，懸空管纜受力的預報，對于保障海底管纜的在位穩(wěn)定性及安全運營具有重要的科學意義和工程應用價值。

2、目前，有關海底管纜的受力和在位穩(wěn)定性設計主要依據(jù)挪威船級社發(fā)布的dnv-rp-f109規(guī)范。該規(guī)范適用于直接鋪設于海床上的管纜的受力和在位穩(wěn)定性評估，無法應用于管纜存在懸空的情況。對于直接鋪設于海床上的管纜，由于受到流體力的作用，難以保持靜止狀態(tài)，即會發(fā)生在位失穩(wěn)。因此，需要增加額外的重量，如混凝土外層等，以保持其在位穩(wěn)定性。根據(jù)dnv-rp-f109規(guī)范，管纜保持在位穩(wěn)定性需要滿足如下條件：

3、

4、其中，sg表示管纜在位穩(wěn)定性配重系數(shù)，其物理意義為管纜增加配重后的密度與水體密度的比值；u表示流動邊界層外的流體流速；cd和cl分別表示管纜的拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)；μ表示管纜結構與海床的摩擦系數(shù)；g表示重力加速度；d表示管纜的直徑。從上述公式可以看出，管纜的穩(wěn)定性配重系數(shù)與其所受到的流體作用力密切相關。如前所述，dnv-rp-f109規(guī)范只能用于平鋪于海床上的管纜受力和穩(wěn)定性評估，對于有懸空高度的管纜受力，目前的規(guī)范還難以考慮，因此需要發(fā)展可考慮管纜懸空效應的受力評估方法，以完善海底管纜結構的在位穩(wěn)定性設計，確保其服役安全。

5、目前，國內(nèi)外有眾多學者針對懸空管纜的受力開展了相關研究工作，研究了不同的流動條件下無量綱的懸空高度e/d對懸空管纜受力的影響作用，其中代表性的研究工作有l(wèi)ei等人發(fā)表的“vortex?shedding?suppression?for?flow?over?a?circular?cylindernear?a?plane?boundary.”、liang等人發(fā)表的“numerical?modeling?of?flow?and?scourbelow?a?pipeline?in?currents:partⅱ.scour?simulation.”、ong等人發(fā)表的“numerical?simulation?of?flow?around?a?circular?cylinder?close?to?a?flatseabed?at?high?reynolds?numbers?using?a?k-εmodel”等的研究工作。在他們的研究工作中，考慮了流動邊界層的厚度δ/d對管纜受力的影響，同時，利用邊界層外的流速u對管纜結構所受到的流速作用力進行無量綱化處理，得到了拖曳力系數(shù)cd和升力系數(shù)cl。上述的研究工作表明，對于單向流條件，所得到的拖曳力系數(shù)cd和升力系數(shù)cl與雷諾數(shù)re的關系十分離散，難以采用統(tǒng)一的經(jīng)驗預報公式進行參數(shù)化描述，因此無法直接應用到實際的工程設計，其中，雷諾數(shù)re的定義為re＝ud/υ，υ表示流體的粘性系數(shù)。lei等人發(fā)表的“vortexshedding?suppression?for?flow?over?a?circular?cylinder?near?a?planeboundary.”的研究工作表明，不同的來流邊界層厚度δ/d對管纜受力的影響非常大，是造成拖曳力系數(shù)cd和升力系數(shù)cl離散化的主要原因。

6、本發(fā)明通過大量的數(shù)值模擬研究工作，重點分析了來流邊界層厚度對管纜受力的影響。通過大量的理論分析研究工作，發(fā)現(xiàn)采用管纜中心高度處的流速對管纜受力進行無量綱化處理，可以消除來流邊界層對管纜受力的影響，從而建立了管纜水動力學系數(shù)的參數(shù)化描述方法。該方法可直接用于實際工程中管纜受力的準確預報。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題以及為懸空管纜的受力評估和在位穩(wěn)定性設計提供科學依據(jù)和技術保障，本發(fā)明的目的為：一種用于海底懸空管纜受力的改進預報方法，以此克服現(xiàn)有研究工作中難以回避來流邊界層厚度δ/d對懸空管纜受力的影響，導致拖曳力系數(shù)cd和升力系數(shù)cl高度離散，難以采用統(tǒng)一的經(jīng)驗預報公式進行參數(shù)化描述的缺陷。

2、本發(fā)明的技術方案：

3、一種用于海底懸空管纜受力的改進預報方法，包括以下步驟：

4、(1)特征流速確定

5、由于來流邊界層厚度δ/d是影響管纜受力的重要因素，同時也是造成拖曳力系數(shù)cd和升力系數(shù)cl關于雷諾數(shù)re呈現(xiàn)離散化特征的根本性原因；為此，提出了一種基于管纜中心高度處流速進行流體作用力無量綱化，進而消除邊界層厚度影響的方法，其需要解決的核心問題為如何方便快捷地計算管纜中心高度處的流速uc；此外，為方便對比驗證所提出方法的優(yōu)越性，還需要知道邊界層外的流速u；對于單向流而言，水平流速沿水深速度剖面滿足對數(shù)率分布規(guī)律，采用如下方程進行描述：

6、

7、其中，u(z)表示高度z處的水平流速；u*表示底摩阻流速；κ＝0.42表示卡門常系數(shù)；ks＝2.5d50表示海床的糙率高度，d50表示沙質(zhì)海床的泥沙中值粒徑；

8、對于實際的海洋工程而言，根據(jù)邊界層理論，邊界層外不同水深處的流速u均相等，采用現(xiàn)場測量的方式來獲得，通過式(2)，假設空間坐標z＝h，其中h表示水深，則可計算出流體流動所引起的底摩阻流速u*，根據(jù)(2)式，則求得任意水深z位置處的流速；假設管纜的懸空高度為e，其表征的是海床距離管纜最低點的距離，則管纜中心高度處對應的空間坐標為z＝e+0.5d，將該空間坐標帶入到(2)式，結合已知的底摩阻流速u*，即可計算出管纜中心高度處的流速uc，進而采用該流速對管纜所受的流體作用力進行無量綱化；

9、(2)懸空管纜受力的參數(shù)化描述方法

10、對于由于管纜局部沖刷和復雜的海床條件，如礫石或者沙波沙脊等，形成的海纜懸跨，其懸空高度往往較低，管纜周圍的流場會受到海床強烈影響，使得其后方的尾渦脫落受到壓制，導致相應的水平向的拖曳力和垂直方向的升力往往以平均值占據(jù)主導地位，而脈動值較小，可以忽略不計。因此，本方法主要關注升力系數(shù)的平均值clm和拖曳力系數(shù)的平均值cdm；

11、基于式(2)獲得的管纜中心高度處的流體流速，結合理論分析和數(shù)值模擬，通過最小二乘法擬合，拖曳力系數(shù)的平均值cdm和升力系數(shù)的平均值clm可采用如下的經(jīng)驗公式求得，以此實現(xiàn)對海底管纜的受力評估：

12、

13、其中，fdm和flm分別表示平均拖曳力和平均升力；從上式可看出，海纜水動力學系數(shù)預報方法僅與管纜的無量綱懸空高度e/d有關，在工程實踐中，通過側掃聲納方便地獲得不同位置處的管纜懸空情況，進而進行受力預報。上述預報公式采用管纜中心高度處的流速對流體作用力進行了無量綱化，在預報公式中剔除來流邊界層的影響，進而可避免由邊界層影響導致的管纜的受力隨流動控制參數(shù)呈現(xiàn)離散分布的缺陷。

14、本發(fā)明的有益效果：

15、1)本發(fā)明采用管纜中心高度處的流速對管纜所受到的水動力進行無量綱化處理，進而建立了可對懸空管纜水動力學系數(shù)的參數(shù)化描述方法。通過上述無量綱化方式，可有效地避免來流邊界層的影響作用，克服了已有學者采用自由流速對管纜受力進行無量綱化，無法避免來流邊界層的影響，導致相應的水動力學系數(shù)隨流動控制參數(shù)呈現(xiàn)出高度離散特征，難以采用統(tǒng)一的定量化方法對管纜受力進行準確預報的重大缺陷。

16、2)本發(fā)明所建立的預報公式可對懸空管纜受力進行準確預報，可為管纜的受力和在位穩(wěn)定性設計提供科學依據(jù)和技術保障。