【论文推荐】| 单向流作用下沟槽中海底管缆水动力系数数值研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

海底管缆结构广泛应用于海洋资源开发中的油气资源运输、水下生产系统通讯控制、海底通信、海上风电及光伏发电等清洁能源电力输送等关键领域，其工程造价巨大，对海洋经济发展具有重要意义。在工程实践中，为降低局部冲刷、船舶抛锚等外力对管缆的不利影响，提升管缆服役安全性，常采用挖沟掩埋方式对管缆进行保护。然而，在较深海域中，管缆铺设完成后需通过后挖沟方法形成沟槽结构，在管缆完全掩埋之前，其在沟槽内的水动力稳定性成为工程设计中亟须关注的重要问题。

沟槽结构对海底管缆具有显著的”遮蔽效应”，可有效折减管缆所受水动力。已有研究表明，沟槽深度、边坡角度及底宽等几何参数均会影响水动力折减程度。然而，现有研究主要聚焦于开挖角度和开挖深度对管缆水动力系数的影响，针对雷诺数（表征来流流速与流体性质）对沟槽中海底管缆水动力系数影响的系统性研究相对匮乏。此外，现有关于沟槽中海底管缆水动力系数的经验预报公式仍有较大改进空间，难以满足工程实践中对不同工况快速预测的需求。

基于上述研究背景与工程需求，本文采用开源软件OpenFOAM，通过二维数值模拟方法，系统研究了单向流条件下沟槽中海底管缆的水动力系数，重点分析了沟槽对海底管缆水动力的折减效应，深入探讨了开挖角度、开挖深度及雷诺数等关键参数对水动力系数折减系数的影响规律，并在此基础上建立了水动力系数折减系数的经验预报公式，以期为沟槽中海底管缆的工程设计提供理论依据与技术参考。

二、研究方法

本文基于二维不可压缩黏性流体的连续性方程和雷诺平均Navier-Stokes（N-S）方程，采用开源计算流体力学软件OpenFOAM建立了数值计算模型。在湍流封闭方面，选用SST k-ω两方程湍流模型，该模型在壁面附近区域采用标准k-ω模型，在自由来流及核心区转变为标准k-ε模型，能够更准确地模拟具有逆压梯度的边界层流动。

计算域范围设定为30D×10D（D为管缆直径），流体入口设于管缆中心上游10D处，出口设于下游20D处。采用四边形四节点计算网格，在管缆底部与海床之间设置小间隙e=0.05D并施加不可滑移边界条件，以等效模拟管缆与海床直接接触的情况。边界条件设置方面，入流端采用对数率形式的速度剖面以实现不同边界层厚度的来流条件，出流端采用自由出流条件，上边界设定为滑移壁面，底边界和管缆表面施加无滑移壁面条件。

为确保数值模拟结果的可靠性与准确性，本文系统开展了网格收敛性验证、时间步长收敛性验证以及数值模型准确性验证。网格收敛性验证表明，当管缆表面第一层网格高度Δ=0.0010D、圆周网格数Nr=152时，计算结果已达到网格无关性；时间步长收敛性验证确认无量纲时间步长Δt*=0.002可满足精度要求；数值模型准确性验证通过与Oner等和Lei等物理试验结果的对比，平均拖曳力系数和平均升力系数的平均相对误差分别仅为4.97%和5.35%，验证了数值模型的准确性。

在参数研究中，考虑了开挖角度θ=15°、30°和45°三种工况，开挖深度与管缆直径比zt/D取0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0六个等级，雷诺数覆盖1.3×10⁴至10⁵的较宽范围，来流边界层厚度固定为δ=1.64D。水动力系数折减系数定义为沟槽中管缆水动力系数与平坦海床上管缆水动力系数的比值，用以量化沟槽的遮蔽折减效果。

三、研究结果

（1）开挖角度与开挖深度对水动力系数的影响：在所考虑的开挖角度范围内，管缆平均拖曳力系数和平均升力系数均随开挖深度的增大而减小。水动力系数折减系数（包括拖曳力系数折减系数和升力系数折减系数）同样随沟槽深度增大而呈现降低趋势，表明沟槽对管缆水动力的遮蔽保护效果随深度增加而增强。值得注意的是，开挖角度对水动力系数折减系数的影响相对较小，在工程应用中可作简化处理。

（2）雷诺数对水动力系数的影响：对于任意开挖角度和开挖深度的沟槽，随着雷诺数Re的增大，管缆的平均拖曳力系数呈现先增大后减小的趋势，在Re=2.0×10⁴时达到最大值，之后随Re进一步增大而缓慢降低；而平均升力系数则呈现逐渐增大的趋势，尤其在雷诺数从1.3×10⁴增加到2.0×10⁴时增加最为迅速，随后增速逐渐变缓。当开挖角度较小时，管缆水动力系数随雷诺数的变化较为明显，而较大开挖角度则使这一变化速率减缓。

（3）雷诺数对折减系数的影响：在雷诺数3.0×10⁴≤Re≤10⁵范围内，水动力系数折减系数受雷诺数变化的影响较小，变化不明显，表明在此雷诺数区间内沟槽中管缆的水动力学系数对雷诺数的依赖性较弱。但当雷诺数为1.3×10⁴时，平均拖曳力系数和升力系数的折减系数明显低于其他雷诺数条件下的折减系数，提示在较低雷诺数工况下需特别关注管缆水动力响应。

（4）经验预报公式：基于3.0×10⁴≤Re≤10⁵范围内折减系数对雷诺数不敏感的认识，本文分别针对开挖角度θ=15°、30°和45°三种工况，建立了管缆水动力系数折减系数与开挖深度之间的经验预报公式。经验公式与数值模拟结果的拟合优度R²均达到0.99以上，预测精度良好，可广泛应用于工程实践中对不同开挖角度和雷诺数条件下管缆水动力系数折减情况的快速预测。

四、研究结论

本文通过系统的数值模拟研究，揭示了单向流条件下沟槽中海底管缆水动力系数的变化规律及折减机制，主要得出以下结论：

第一，沟槽深度是影响管缆水动力系数折减系数的关键因素。随着沟槽深度增大，管缆平均拖曳力系数和平均升力系数的折减系数均呈现降低趋势，沟槽对管缆的水动力遮蔽保护效果显著增强。相比之下，沟槽开挖角度对水动力系数折减系数的影响作用相对较小，在工程设计中可适当简化处理。

第二，雷诺数对管缆水动力系数具有显著影响，但其作用机制因力的分量不同而有所差异。平均拖曳力系数随雷诺数增大呈现先增后减的非单调变化特征，而平均升力系数则随雷诺数增大单调递增。在工程常用的雷诺数范围（3.0×10⁴≤Re≤10⁵）内，水动力系数折减系数对雷诺数的变化不敏感，这为工程简化计算提供了理论依据。

第三，本文建立的经验预报公式具有良好的预测精度（R²≥0.99），能够以简洁的数学表达式快速预报不同开挖角度和开挖深度条件下管缆水动力系数的折减情况，填补了现有经验公式在雷诺数影响方面的研究空白，为沟槽中海底管缆的工程设计提供了实用可靠的分析工具，对保障海洋工程结构安全具有重要的工程应用价值。

相关图表

本文引用格式：黄小卫, 蒋道宇, 李晓骏, 等. 单向流作用下沟槽中海底管缆水动力系数数值研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 214-225.  (HUANG Xiaowei, JIANG Daoyu, LI Xiaojun, et al. Numerical investigation on the hydrodynamic coefficients of subsea pipelines in a trench under unidirectional flow[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 214-225.  (in Chinese)）

作者简介：   

黄小卫（1985—），男，正高级工程师，主要从事海底电缆施工运维技术方面的工作。E-mail：huangxw126@126.com

参考文献

1

杜喜军， 赵杰， 王艳涛， 等. 海底管道挖沟方法的选择［J］. 管道技术与设备， 2015（5）： 52-54.

DU X J， ZHAO J， WANG Y T， et al. Contrast of subsea pipeline trenching methods［J］. Pipeline Technique and Equipment， 2015（5）： 52-54. （in Chinese）

2

吉田常松， 植松幹夫. 任意形状の水底に置かれたパイプに作用する流体力［J］. 海岸工学讲演会论文集， 1982， 29： 447-451.

TSUNEMATSU Y， UEMATSU M. Hydrodynamic forces acting on a pipe placed on a seabed of arbitrary shape ［J］. Proceedings of the Coastal Engineering Conference， 1982， 29： 447-451.（in Japanese）

3

LIU Z N， CHENG L， REN C J， et al. Hydrodynamic forces of subsea small-diameter pipeline in a deep/wide trench［C］// Proceedings of the ASME 2023 42nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Melbourne， Australia：ASME， 2023： V003T04A036.

4

JACOBSEN V. Forces on sheltered pipelines［C］// Proceedings of the Offshore Technology Conference. Houston， Texas， USA：OTC， 1988： OTC-5851-MS.

5

马良， 张日向. 海底沟槽内管道在波流作用下的水动力掩护效应［J］. 中国海洋平台， 2001， 16（4）： 32-36.

MA L， ZHANG R X. The effect of hydrodynamic force on submarine pipeline in open trench under the action of wave and current［J］. China Offshore Platform， 2001， 16（4）： 32-36. （in Chinese）

6

JO C H， LEE S B， SHIN Y S， et al. Numerical and experimental study of offshore pipeline stability in trench［J］. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering， 2002， 128（6）： 258-270.

7

SABER M， SAQR K M， HASSAN A A， et al. Numerical simulation of the flow around a subsea pipeline with different protection methods［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part M： Journal of Engineering for the Maritime Environment， 2017， 231（1）： 188-199.

8

LEE S， JO C H， JANG S W， et al. Numerical comparison of stability and flow pattern over offshore pipelines in trench［C］// Proceedings of the Eleventh International Offshore and Polar Engineering Conference. Stavanger， Norway：ISOPE， 2001：ISOPE-I-01-135.

9

GRIFFITHS T， SHEN W W， XU M M， et al. Comparison of recent parametric trenched and partially embedded/spanning pipelines with DNV-RP-F109 load reduction design curves［C］// Proceedings of the 31st International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering. Rio de Janeiro， Brazil：ASME， 2012： 207-224.

10

MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications［J］. AIAA Journal， 1994， 32（8）： 1598-1605.

11

MENTER F R， KUNTZ M， LANGTRY R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model［C］//Proceedings of the 4th International Symposium on Turbulence ，Heat and Mass Transfer.［S.l.：s.n.］， 2003： 625-632.

12

TANG G Q， CHENG L， LU L， et al. Effect of oscillatory boundary layer on hydrodynamic forces on pipelines［J］. Coastal Engineering， 2018， 140： 114-123.

13

KAZEMINEZHAD M H， YEGANEH-BAKHTIARY A， ETEMAD-SHAHIDI A. Numerical investigation of boundary layer effects on vortex shedding frequency and forces acting upon marine pipeline［J］. Applied Ocean Research， 2010， 32（4）： 460-470.

14

AN H W， CHENG L， ZHAO M. Steady streaming around a circular cylinder near a plane boundary due to oscillatory flow［J］. Journal of Hydraulic Engineering， 2011， 137（1）： 23-33.

15

NAM S H， YOON H S. Effect of the wavy geometric disturbance on the flow over elliptic cylinders with different aspect ratios［J］. Ocean Engineering， 2022， 243： 110287.

16

ONER A A， SALIH KIRKGOZ M， SAMI AKOZ M. Interaction of a current with a circular cylinder near a rigid bed［J］. Ocean Engineering， 2008， 35（14/15）： 1492-1504.

17

LEI C， CHENG L， KAVANAGH K. Re-examination of the effect of a plane boundary on force and vortex shedding of a circular cylinder［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1999， 80（3）： 263-286.