Исследование гидродинамического воздействия на неравномерно заглубленный трубопровод в проницаемом дне

Введение. При проектировании трубопроводных переходов различного назначения решение многих инженерных задач связано с расчетом распределения скоростей и оценкой создаваемых ими гидравлических сопротивлений. Поскольку теоретическим путем оценить величину коэффициентов гидродинамического сопротивления и подъемной силы затруднительно, обычно прибегают к экспериментальным исследованиям. Трубопровод по отношению к потоку может располагаться по-разному, также на практике трубопроводы заглубляют в дно водотока. В физических экспериментах часто моделируется частично заглубленный трубопровод путем усечения заглубленного участка трубопровода. Такая схема экспериментальной установки больше подходит для трубопровода, расположенного в непроницаемом дне. В действительности подверженное эрозии дно бывает пористое и проницаемое.

Материалы и методы. Численно исследованы гидродинамические силы, действующие на трубопровод с неравномерным заглублением с обеих сторон, на проницаемом дне. Для моделирования течения в жидкости применяются двумерные уравнения Навье – Стокса, усредненные по Рейнольдсу с k–e моделью турбулентности. Предполагается, что просачивающийся поток на проницаемом дне подчиняется закону Дарси, уравнение Лапласа решается для расчета порового давления в предположении изотропного и однородного дна. Рассматриваются структура потока и распределение давления вокруг трубопровода. Для численного моделирования использован программный комплекс (ПК) ANSYS Fluent.

Результаты. Установлено, что структура течения вокруг трубопровода асимметрична из-за разницы уровней дна с двух сторон трубопровода. В ПК ANSYS Fluent был смоделирован процесс размыва песчаного дна в зоне размещения трубопровода. Выполнено сравнение результатов расчета при различных расходах. Выявлено, что существует очевидная разница между гидродинамическими силами, испытываемыми трубопроводом, из-за асимметричной структуры потока вокруг трубопровода.

Выводы. Выявлены пиковые значения внешних сил и подъемной силы, уменьшающейся по мере увеличения значения заглубления в дно, за трубопроводом е2/D. Максимальная погрешность сил сопротивления и подъемной силы, вычисленная с использованием ряда Фурье шестого порядка, составляет около 4 %.

1. Дейнеко С.В. Обеспечение надежности систем трубопроводного транспорта нефти и газа. М. : Техника, 2011. 176 с. EDN YWYIHZ.

2. Шерстнёв Д.Ю., Брянский И.А., Брянская Ю.В. Взаимодействие водного потока и подводных трубопроводных переходов // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 3. С. 447–454. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.447-454

3. Дебольский В.К. Аварии подводных нефте- и газопроводов и их последствия для водных объектов // Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях в мирное и военное время как составная часть национальной безопасности России : тез. докл. и выступлений. 1997. С. 234–235. EDN VSSVMT.

4. Хлынцева Е.О. Русловые деформации в местах подводных переходов магистральных трубопроводов, геодезические методы их определения и прогнозирование для обеспечения экологической безопасности природной среды // Омский научный вестник. 2005. № 2. С.166–169.

5. Дзарданов О.И. Определение степени безопасности подводных переходов газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях // Записки горного института. 2008. Т. 178. С. 43–46. EDN LHPWXB.

6. Bryanskiy I.A., Borovkov V.S. Velocity distribution along the flow depth in the pipe crossing’s area of influence // Power Technology and Engineering. 2021. Vol. 55. Issue 1. Pp. 26–29. DOI: 10.1007/s10749-021-01314-2

7. Azamathulla H.Md., Zakaria N.A. Prediction of scour below submerged pipeline crossing a river using ANN // Water Science and Technology. 2011. Vol. 63. Issue 1. Pp. 2225–2230. DOI: 10.2166/wst.2011.459

8. Azamathulla H.Md., Yusoff M.A.M., Hasan Z.A. Scour below submerged skewed pipeline // Journal of Hydrology. 2014. Vol. 509. Pp. 615–620. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2013.11.058

9. Myrhaug D., Ong M.C., Føien H., Gjengedal C., Leira B.J. Scour below pipelines and around vertical piles due to second-order random waves plus a current // Ocean Engineering. 2009. Vol. 36. Issue 8. Pp. 605–616. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2009.02.007

10. Sumer B.M., Jensen H.R., Mao Y., Fredsøe J. Effect of lee-wake on scour below pipelines in current // Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 1988. Vol. 114. Issue 5. Pp. 599–614. DOI: 10.1061/(asce)0733-950x(1988)114:5(599)

11. Dey S., Singh N.P. Clear-water scour depth below underwater pipelines // Journal of Hydro-Environment Research. 2007. Vol. 1. Issue 2. Pp. 157–162. DOI: 10.1016/j.jher.2007.07.001

12. Myrhaug D., Ong M.C., Gjengedal C. Scour below marine pipelines in shoaling conditions for random waves // Coastal Engineering. 2008. Vol. 55. Issue 12. Pp. 1219–1223. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2008.03.006

13. Zhang Q., Draper S., Cheng L., An H. Effect of limited sediment supply on sedimentation and the onset of tunnel scour below subsea pipelines // Coastal Engineering. 2016. Vol. 116. Pp. 103–117. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2016.05.010

14. Dong H., Huang P., Sun Z., Li Z., Chong L. See fewer numerical simulation of local scour and flow field around pipelines // Journal of Coastal Research. 2020. Vol. 111. Issue sp1. DOI: 10.2112/JCR-SI111-049.1

15. Damroudi M., Esmaili K., Rajaie S.H. Effect of pipeline external geometry on local scour and self-burial time scales in current // Journal of Applied Fluid Mechanics. 2021. Vol. 14. Issue 1. DOI: 10.47176/jafm.14.01.31399

16. Zhu Y., Xie L., Su T.-C. Scour protection effects of a geotextile mattress with floating plate on a pipeline // Sustainability. 2020. Vol. 12. Issue 8. P. 3482. DOI: 10.3390/SU12083482

17. Sumer B.M., Fredsøe J. Scour below pipelines in waves // Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 1990. Vol. 116. Issue 3. Pp. 307–323. DOI: 10.1061/(asce)0733-950x(1990)116:3(307)

18. Parker M.E., Herbich J.B. Drag and inertia coefficients for partially buried offshore pipelines // All Days. 1978. DOI: 10.4043/3072-ms

19. Кантаржи И.Г., Гогин А.Г. Устойчивость подводного трубопровода при воздействии течения и волн // Гидротехническое строительство. 2021. № 4. С. 28–34. EDN LNOGNA.

20. Боровков В.С., Брянский И.А., Юмашева М.А. Особенности поперечного обтекания водным потоком тел различной формы при наличии экрана // Научное обозрение. 2017. № 6. С. 27–32. EDN ZFCFWF.

21. Дегтярёв В.В., Гармакова М.Е., Шумкова М.Н., Шлычков В.А. Численное моделирование деформаций речных русел при гидротехническом строительстве // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2020. № 5 (737). С. 105–117. DOI: 10.32683/0536-1052-2020-737-5-105-117. EDN CKOKOD.

22. Jacobsen V. Forces on sheltered pipelines // Offshore Technology Conference. 1988. DOI: 10.4043/5851-ms

23. An H., Cheng L., Zhao M. Numerical simulation of a partially buried pipeline in a permeable seabed subject to combined oscillatory flow and steady current // Ocean Engineering. 2011. Vol. 38. Issue 10. Pp. 1225–1236. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2011.05.010

24. Брянский И.А., Боровков В.С. Гидравлические характеристики турбулентного потока при обтекании препятствий // Гидротехническое строительство. 2020. № 2. С. 37–41. EDN PRQPRE.

25. Neill I.A., Hinwood J.B. Wave and wave-current loading on a bottom-mounted circular cylinder // International Journal of Offshore and Polar Engineering. 1998. Pp. 122–129.

26. Chiew Y.M. Mechanics of local scour around submarine pipelines // Journal of Hydraulic Engineering. 1990. Vol. 116. Issue 4. Pp. 515–529. DOI: 10.1061/(asce)0733-9429(1990)116:4(515)

27. Дегтярев В.В., Гармакова М.Е., Федорова Н.Н., Шумкова М.Н., Яненко А.П., Гринь Г.А. Моделирование динамики речного потока и русловые переформирования на участках расположения подводных трубопроводов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2019. № 7 (727). С. 86–97. DOI: 10.32683/0536-1052-2019-727-7-86-97. EDN AHUTHE.

28. Гармакова М.Е., Дегтярев В.В. Моделирование процесса размыва донного грунта в зоне расположения подводных трубопроводов // Динамика многофазных сред : тез. XVI Всерос. семинара с междунар. участием. 2019. С. 40–41. EDN UMDXRS.