Investigation of hydrodynamic impact on an unevenly buried pipeline in a permeable bottom

详细

Introduction. When designing pipeline crossings for various purposes, the solution of many engineering problems is associated with the calculation of velocity distribution and estimation of hydraulic resistance created by them. Since it is very difficult to estimate the value of hydrodynamic resistance coefficients and lifting force by theoretical means, experimental studies are usually resorted to. Pipelines can be positioned in different ways in relation to the flow, and in practice pipelines are also buried in the bottom of the watercourse. In physical experiments, a partially buried pipeline is often modelled by truncating the buried section of the pipeline. This experimental setup is more suitable for a pipeline located in an impermeable bottom. In reality, erosion-prone bottoms are often porous and permeable.Materials and methods. Hydrodynamic forces acting on a pipeline with uneven depth on both sides, on a permeable bottom, are numerically studied. Two-dimensional Navier – Stokes equations averaged over Reynolds with k–e turbulence model are used to simulate fluid flow. The seepage flow at the permeable bottom is assumed to obey Darcy’s law, the Laplace equation is solved to calculate the pore pressure assuming an isotropic and homogeneous bottom. The flow structure and pressure distribution around the pipeline are considered. The ANSYS Fluent software package is used for numerical modelling.Results. It was found that the flow structure around the pipeline is asymmetric due to the difference in bottom levels on the two sides of the pipeline. The process of scouring of the sandy bottom in the area of the pipeline location was modelled in ANSYS Fluent. Comparison of calculation results at different flow rates was made. It was found that there is an obvious difference between the hydrodynamic forces experienced by the pipeline due to the asymmetric flow structure around the pipeline.Conclusions. Peak values of external forces and lift force decreasing as the value of depth into the bottom behind the pipeline increases (e2/D). The maximum error of the drag and lift forces calculated using sixth order Fourier series is about 4 %.

作者简介

D. Sherstnev

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: sherstnevdmitrii@yandex.ru

Yu. Bryanskaya

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: mgsu-hydraulic@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6233-3690

参考

  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.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».