深海工程力學(xué)專題序

高福平

(中國科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

海洋資源開發(fā)及空間利用等工程實(shí)踐不斷邁向更深和更遠(yuǎn)的海域，面臨深水極端環(huán)境載荷和復(fù)雜海床地質(zhì)條件的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?！读W(xué)與實(shí)踐》組織出版“深海工程力學(xué)”專題，包括2篇邀請綜述論文[1-2]和10篇研究論文[3-12]。本專題旨在聚焦深海工程開發(fā)中的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)難題，刊登我國學(xué)者在深水工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安全保障技術(shù)、深海超常環(huán)境力學(xué)等方面取得的若干研究進(jìn)展，主要涉及深海礦物資源開采[1]、深水管道及立管多相流動(dòng)與分離調(diào)控[2-4]、管道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6]、深水工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)系統(tǒng)（包括深水拖曳錨[7]、深水防波堤[8]及海上漂浮式風(fēng)力機(jī)[9]）、深海天然氣水合物開采[10-11]以及深海陸坡地層穩(wěn)定性[12]。

海南大學(xué)沈義俊教授等[1]綜述分析了國內(nèi)外深海礦物資源開采系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程及幾種典型的深海資源開采系統(tǒng)，提出了深海礦物資源開采系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵力學(xué)問題及技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括深海礦物資源開采系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及集成控制、采礦車采集動(dòng)態(tài)性能控制、立管輸送系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、以及環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)。

如何準(zhǔn)確預(yù)測長距離輸送管道內(nèi)部復(fù)雜工況條件下的氣液兩相流動(dòng)是深海油氣輸運(yùn)的關(guān)鍵工程科學(xué)問題。江蘇大學(xué)張德勝研究員等[2]對歐拉-歐拉框架下氣液多相流模擬的主要相間力模型及其發(fā)展情況進(jìn)行綜述，分析了歐拉-歐拉方法應(yīng)用于深海油氣混輸高壓高含氣率特殊環(huán)境的局限性并展望了未來發(fā)展趨勢。針對海上油氣井關(guān)井狀態(tài)下柔性立管內(nèi)油氣分層導(dǎo)致的立管張力分布不均勻問題，大連理工大學(xué)王振教授等[3]建立分段海洋立管橫向振動(dòng)的簡化數(shù)學(xué)模型，給出了關(guān)井狀態(tài)下立管橫向振動(dòng)的自然頻率及相應(yīng)的模態(tài)函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而分析了油氣占比、密度、頂張力對振動(dòng)自然頻率和模態(tài)函數(shù)的影響。面向海上油田低含氣率采出液除氣作業(yè)的工程需求，中國科學(xué)院力學(xué)研究所許晶禹研究員等[4]研發(fā)了一種被動(dòng)式軸向旋流除氣裝置并設(shè)計(jì)原理樣機(jī)，通過接入自循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)開展裝置的除氣特性測試，觀測了內(nèi)部流場氣相分布，并考察了分流比、除氣率、處理后液體含氣率和壓降之間的關(guān)系。

深水海底軟管連接器受到多種載荷工況作用，對海底管道及整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)營產(chǎn)生重要影響。中海石油（中國）有限公司劉孔忠教授級(jí)高級(jí)工程師等[5]以南海某深水氣田軟管連接器安裝工程為例，介紹了鵝脖連接器的工作原理和技術(shù)優(yōu)勢；針對軟管平鋪階段、連接器測漏和靜水壓測試三種深海工況條件開展了鵝脖連接器極限載荷計(jì)算及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布有限元仿真研究。低溫柔性管道是海上浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置系統(tǒng)的核心裝備之一，而U型波紋管作為管道最內(nèi)層結(jié)構(gòu)，直接影響低溫管道的安全性。大連理工大學(xué)閻軍教授等[6]選取波徑和環(huán)板長度作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析，并采用遺傳算法對U型波紋管結(jié)構(gòu)開展了多目標(biāo)優(yōu)化研究。

拖曳錨是一種結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的深水系泊基礎(chǔ)型式，其安裝下潛深度直接影響抗拔承載力的發(fā)揮。大連理工大學(xué)于龍教授等[7]提出了一種通過調(diào)整錨脛側(cè)傾角提高拖曳錨下潛性能的方法，并采用大變形有限元分析進(jìn)行了驗(yàn)證；以MK5 拖曳錨在砂土中的安裝過程為例，分析了錨脛前傾角、錨脛側(cè)傾角、拖曳錨密度、錨-土界面摩擦特性等因素對拖曳錨下潛深度的影響。為適應(yīng)船舶大型化的需要，沿海港口逐漸向外海深水區(qū)發(fā)展，這對深水防波堤的工程設(shè)計(jì)提出了更高要求。天津大學(xué)肖忠教授和章嘉晨[8]針對現(xiàn)有箱筒型基礎(chǔ)防波堤存在的主要問題，提出一種圓矩形吸力式深水防波堤型式；參考天津海積軟土不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)軟土循環(huán)強(qiáng)度計(jì)算公式，進(jìn)而建立了圓矩形吸力式防波堤循環(huán)承載力的高效計(jì)算方法。海上漂浮式風(fēng)力機(jī)支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力載荷的確定對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工過程及運(yùn)維保障至關(guān)重要。上海交通大學(xué)張景新副教授等[9]闡釋了浮式支撐平臺(tái)水動(dòng)力載荷計(jì)算的勢流理論方法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD模型方法和各自的優(yōu)勢及劣勢；以某浮式支撐結(jié)構(gòu)的物理模型實(shí)驗(yàn)為例，指出現(xiàn)有物理模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在比尺效應(yīng)等局限性，并提出了改進(jìn)措施。

針對天然氣水合物熱分解引起的地層多場響應(yīng)問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所張旭輝副研究員和魯曉兵研究員[10]利用量綱分析得到了傳熱、水合物相變、滲流、地層應(yīng)力重分布的特征時(shí)間；發(fā)現(xiàn)各特征時(shí)間尺度相差兩個(gè)量級(jí)以上，從而提出了便于應(yīng)用的解耦分析方法。桂林理工大學(xué)顏榮濤教授等[11]以細(xì)粒土作為沉積物骨架，通過富氣法制備含天然氣水合物沉積物試樣，開展三軸壓縮試驗(yàn)探究了密實(shí)度對含水合物土體的力學(xué)特性的影響規(guī)律。中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所孫金副研究員和王大偉研究員[12]針對深水陸坡海底地層失穩(wěn)預(yù)測難題，建立了深水陸坡井場海底穩(wěn)定性評價(jià)流程；以瓊東南陸坡區(qū)陵水深水井場為例，構(gòu)建井場三維海底實(shí)體模型，進(jìn)而預(yù)測分析了井場潛在滑坡體位置及可能滑動(dòng)方向。

從上述文章介紹可以看出，深海工程實(shí)踐所涉及的結(jié)構(gòu)類型繁多，且不斷創(chuàng)新演進(jìn)；然而許多重要的深海工程結(jié)構(gòu)在本專題未能涵蓋，例如深潛器、深?？臻g站、海底通訊光纜等。海洋環(huán)境是復(fù)雜多變的，深海工程結(jié)構(gòu)除了承受臺(tái)風(fēng)、海浪、內(nèi)波、海底濁流、地震海嘯等環(huán)境載荷，還遭受海水腐蝕及海洋生物侵蝕的影響。蔚藍(lán)色的海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，21世紀(jì)被稱為海洋的世紀(jì)。我們要進(jìn)一步“關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，加快海洋科技創(chuàng)新步伐”，為建設(shè)海洋強(qiáng)國貢獻(xiàn)力量。