课题基金 / 基金详情

天然气水合物开采过程中海底斜坡失稳的粒子法模拟研究

批准号:
52101296
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
回达
依托单位:
学科分类:
海岸工程与海洋工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
回达

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
海底斜坡失稳是天然气水合物勘探与开采工程中的关键问题,失稳造成的滑坡会给周围的海底工程与沿海居民造成不可估量的损失。由于海洋环境复杂多变,海底斜坡失稳的精确数值模拟一直未得到很好的解决。本项目拟基于拉格朗日(Lagrangian)框架下的梯度光滑法(Gradient Smoothing Method, GSM),结合粒子位移技术,建立静水高围压下的海底斜坡失稳Lagrangian-GSM模型;在此基础上,引入水合物分解模型,研究不同失稳影响因素之间的非线性关联机制,发展多因素联合作用下海底斜坡失稳模型;采用高效计算方案,提高计算效率,实现对真实海洋环境下海底斜坡由失稳至滑坡这一大规模问题的数值模拟,探究海底斜坡多因素联合作用下的破坏模式,精准预报海底斜坡失稳的影响范围与强度,旨在为天然气水合物开采工程中海底斜坡失稳的研究提供理论基础与技术支撑。
英文摘要
Submarine slope instability is a key problem in gas hydrate exploration and exploitation engineering. The submarine landslide caused by slope instability can cause immeasurable losses to the surrounding submarine engineering and coastal residents. However, due to the complicated ocean environments, it has not been well solved for accurate simulating of submarine slope instability. This project develops Gradient Smoothing Method in the Lagrangian frame to solve the submarine slope instability problem. By combining with shifting particle technology, we establish the submarine slope instability Lagrangian-GSM numerical model under high confining pressure of static water. Besides, by introducing hydrate dissociation model, the nonlinear correlation mechanism of multiple instability factors is studied, and we propose the submarine slope instability algorithm under multiple factors combined loading. The calculation efficiency is improved by using high performance computing solutions, thus the large-scale physical process from submarine slope instability to landslide in real marine environment is simulated. The failure mode of submarine slope under multiple factors combined loading is investigated, and the scope and scale of submarine slope is predicted accurately. This project aims to provide the theoretical basis and technical support to the submarine slope instability investigation in gas hydrate exploitation engineering.
海底天然气水合物开采作业中存在斜坡失稳的风险,由斜坡失稳引起海底滑坡会对周围海底工程造成严重的破坏。为此,本项目发展拉格朗日梯度光滑法(Lagrangian Gradient Smoothing Methods, Lagrangian-GSM)以建立海底斜坡失稳模型,并详尽分析了Lagrangian-GSM方法的数值精度、稳定性及计算效率。考虑到复杂的海底环境,本项目进一步针对静水围压、水合物饱和度和地震等触发失稳因素,对海底斜坡失稳过程进行数值模拟,捕捉了斜坡失稳过程中自由表面的变化,确定了水合物沉积层的滑移面位置,预测了斜坡失稳运动的影响范围。通过以上分析,本项目阐述了不同因素影响海底斜坡失稳的力学机理。在此基础上,通过模型实验研究了斜坡失稳触发的滑坡问题,制备了具有非牛顿特性的泥浆,并展现了海底滑坡中的泥浆流动特性。为了评估海底滑坡的风险,建立了泥浆-结构物的流固耦合计算模型,分析了泥浆与海底结构物相互作用的力学机理,得到了泥浆作用下结构物的动力学特性,揭示了不同流变特性下结构的运动与变形。本项目的数值模型能够准确模拟海底天然气水合物开采过程中失稳现象,并对海底滑坡给出详细的评估与预报,为深海资源的开发奠定了理论基础。
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