CN115952744A - 一种海底电缆抛石坝清理的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，包括以下步骤：S100、获取抛石坝石块的模拟参数；S200、确定工况；S300、对抛石坝进行建模；S400、利用CFD‑DEM进行耦合，对水射流冲击抛石坝的过程进行仿真分析，计算出石块运动所需的水射流的启动流速以及防止海缆损坏的水射流安全流速范围；S500、根据启动流速和安全流速范围，选取最优的水射流水流速度。通过该评价方法能够得到通过水射流进行抛石坝清理时最优的水射流水流速度，在该水流速度下不仅可以将海缆上方和周围的石块清理较为干净，而且不会对海缆造成损伤。
Description
技术领域
本发明涉及海底电缆抢修工程技术领域，具体涉及一种海底电缆抛石坝清理的评价方法。
背景技术
海底电缆是铺设在海底的跨海地区之间电力传输的重要装备。由于海洋环境复杂，海底电缆可能发生损坏，导致电网机组故障，造成停电事故。为了防止上述事故的发生，需要对海底电缆进行保护，目前常见的保护方式为抛石。抛石的方式主要采用尺寸和形状不一的石块形成抛石坝，典型抛石坝如图1所示，覆盖在海底电缆上方，避免海底电缆损坏。但这种保护方式也为海底电缆的维抢修造成困扰。在对抛石坝下的海底电缆进行维抢修时，抛石坝清理是关键环节。目前，我国尚缺少海底电缆抛石坝清理经验，对清理方式、清理设备的选型经验尚且不足。
当前，水下石块清理的主要方式为抓斗清理和水下爆破，这些技术可能会在清理过程中对海底电缆的安全产生一定的威胁。对于深水抛石坝的清理，国外通常采用大流量挖掘机设备进行清理，在工程上，一般采用射流冲刷和机械清理的方式进行清理。随着高压水射流技术的发展，高压水射流在抛石坝清理中得到了应用，但水射流的直径、流速及石块的尺寸都会对清理效果产生显著影响，而我国也尚未形成有关高压水射流清理抛石坝的成熟技术，抛石坝的清理技术仍亟待解决。
发明内容
本发明的目的为提供一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，通过该评价方法能够得到通过水射流进行抛石坝清理时最优的水射流水流速度，在该水流速度下不仅可以将海缆上方和周围的石块清理较为干净，而且不会对海缆造成损伤。
本发明提供一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，包括以下步骤：
S100、获取抛石坝石块的模拟参数；
S200、确定工况；
S300、对抛石坝进行建模；
S400、利用CFD-DEM进行耦合，对水射流冲击抛石坝的过程进行仿真分析，计算出石块运动所需的水射流的启动流速以及防止海缆损坏的水射流安全流速范围；
S500、根据启动流速和安全流速范围，选取最优的水射流水流速度。
进一步地，所述步骤S100中，所述模拟参数包括石块的粒径、形状、重量、弹性碰撞系数、剪切模量、石块间的动摩擦系数与静摩擦系数以及抛石坝断面。
进一步地，所述步骤S200中，所述工况包括水射流口径、流量、流速。
进一步地，所述步骤S300包括：
S301、根据抛石坝断面建立实体模型；
S302、将实体切割成石块形状；
S303、设定颗粒参数，利用颗粒填充石块，拟合石块；
S304、根据步骤S100中获取的石块粒径，设置石块大小；
S305、静置分析。
进一步地，所述步骤S400包括：
S401、建立水射流冲击模型；
S402、划分网格，设置水射流入口、出口，将流场底面设置为wall；
S403、CFD-DEM进行耦合分析，计算出石块运动所需的水射流的启动流速以及防止海缆损坏的水射流安全流速范围。
进一步地，所述步骤S402中，水射流入口为抛石坝顶面，除底面外的其他面均为出口。
进一步地，所述步骤S403中，耦合分析采用Shields准则来计算：
作用在石块上的水流剪切应力τ为：
其中，Ψ为Shields数，Ψcr为临界Shields数，τ为剪切应力，ρr为石块的密度，ρw为海水的密度，g为重力加速度，D为石块直径，u为水流流速，C为系数。
进一步地，所述步骤S500包括：
S501、根据启动流速和安全流速范围，选取多个水射流水流速度；
S502、对多个水射流水流速度下的工况进行耦合分析，得到抛石坝在不同水流速度下的位移图；
S503、根据抛石坝的位移图，选取最优的水射流水流速度。
进一步地，所述步骤S502还包括：监测电缆外层上表面的中心点单元的应变情况，获取中心点单元的应变-时间曲线。
进一步地，所述步骤S503包括：根据抛石坝的位移图以及中心点单元的应变-时间曲线，选取最优的水射流水流速度。
本发明的有益效果为：
1.本发明利用相关软件耦合的方法对海底电缆抛石坝清理进行仿真分析，通过耦合仿真获取清理石块的基本参数，对该研究领域中通过水射流对抛石坝进行清理的研究具有指导性意义。
2.本发明利用耦合仿真对实际海底抛石坝清理过程进行分析，填补了我国在该领域技术的欠缺，通过本发明能够一定程度上缩小室内实验范围，减少室内实验费用，在保证一定准确性的前提下极大缩短了实验周期，为实现海底电缆抛石坝清理提供了一种切实可行且具有实际意义的评价方法。
3.本发明利用动态生成方法、静置分析以及按正态分布的规律设置不同石块大小使得模型尽可能接近实际情况，有利于还原真实的抛石坝，减小模拟仿真产生的误差，从而获得有效的、准确的模拟结果。
4.本发明通过综合分析不同水射流水流速度对清理抛石坝的效果图，以及海缆外层上表面的中心点单元的应力-时间曲线，得出的最优的水射流水流速度，不仅可以将海缆上方和周围的石块清理较为干净，而且不会对海缆造成损伤。
附图说明
图1为现有的典型抛石坝的结构示意图；
图2为本发明的流程框图；
图3为本发明抛石坝的实体模型；
图4为本发明抛石坝和水射流冲击模型的示意图；
图5为本发明水模拟射流冲击抛石坝时的速度云图；
图6为本发明为水射流水流速度为10m/s时的冲击结果图；
图7为本发明为水射流水流速度为20m/s时的冲击结果图；
图8为本发明为水射流水流速度为30m/s时的冲击结果图；
图9为本发明为水射流水流速度为10m/s时海缆中心点单元的应变-时间曲线；
图10为本发明为水射流水流速度为20m/s时海缆中心点单元的应变-时间曲线；
图11为本发明为水射流水流速度为30m/s时海缆中心点单元的应变-时间曲线。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。
下面以清理在海床中横断面呈梯形的抛石坝为例，以水射流清理石块为主要清理方式进行详细说明。
如图2所示，通过该海底电缆抛石坝清理的评价方法对抛石坝进行模拟分析，包括以下步骤：
S100、获取抛石坝石块的模拟参数；
因为抛石坝是由众多的石块组成，因此只有得到了抛石坝石块的相关参数才能基于实际情况对抛石坝进行模拟，以得到与实际情况误差较小的结果，使得结果具有参考性。
所述模拟参数包括石块的粒径、形状、重量、弹性碰撞系数、剪切模量、石块间的动摩擦系数与静摩擦系数以及抛石坝断面。
本实施例中，海底抛石坝以碎石为主，形状不规则，粒径为2-8英寸，石块密度为2600kg·m-3，泊松比为0.38，剪切模量为1.0×108Pa，碰撞恢复系数为0.5，静摩擦系数0.6，动摩擦系数0.05，石块的重量可根据密度和粒径计算得到。
该抛石坝的断面为梯形，下底宽为5m，下底宽为1m，高度为1m。
S200、确定工况；
所述步骤S200中，所述工况包括水射流口径、流量、流速，其中水射流口径为1m，流速别10m/s，20m/s，30m/s，流量为截面积与流速的乘积，对应分别为7.854m3/s，15.708m3/s，23.562m3/s。
S300、对抛石坝进行建模；
所述步骤S300包括：
S301、根据抛石坝断面建立实体模型；
S302、将实体切割成石块形状；
S303、设定颗粒参数，利用颗粒填充石块，拟合石块；
S304、根据步骤S100中获取的石块粒径，设置石块大小；
S305、静置分析。
具体为：利用UG软件先建立抛石坝的规则实体模型，创建平面对规则实体模型进行切割，切割成石块；设定颗粒的参数，导入到EDEM中作为石块的生成模具；选择用颗粒填充导入的石块外形中，平滑度设置为5，最小填充颗粒的半径为0.02m，采用动态生成颗粒的方法进行填充；拟合石块之后，依据石块的粒径2-8英寸，按正态分布的规律设置不同石块大小的生成比例，待石块动态生成填充满抛石坝模型之后，进行静置分析，静置分析目的为通过运行一段时间消除因动态生成方法所产生的动能，使整个坝体稳定。静置分析中，设置分析步长为1e-5s，分析总时间为2s，计算的网格大小为颗粒半径的三倍。生成抛石坝模型如图3所示。将生成的抛石坝模型重新输出，输出时间调零。
颗粒参数包括尺寸，剪切模量，碰撞恢复系数，动摩擦因素，静摩擦因素，密度等，参数越接近实际情况，结果越精确，颗粒参数是通过前期调研并对海底抛石坝的石块进行实验获得的。
步骤S300中，利用动态生成颗粒的方法，并进行静置分析，使得抛石坝模型整体符合实际施工完成后的状态，可减小模拟仿真产生的误差，按正态分布的规律设置不同石块大小的生成比例，可进一步还原真实的抛石坝，进一步减小模拟仿真产生的误差，有利于获得有效的、准确的模拟结果。
S400、利用CFD-DEM进行耦合，对水射流冲击抛石坝的过程进行仿真分析，计算出石块精确的启动流速与安全流速范围；CFD-DEM模拟是一种基于欧拉-拉格朗日参考系的方法，是离散模拟的典型代表，适用于由石块组成的抛石坝的模拟。
所述步骤S400包括：
S401、建立水射流冲击模型；
S402、划分网格，设置水射流入口、出口，将流场底面设置为wall；
所述步骤S402中，水射流入口为抛石坝顶面，除底面外的其他面均为出口。
S403、CFD-DEM进行耦合分析，计算出石块的启动流速与安全流速范围。
所述步骤S403中，耦合分析采用Shields准则来计算：
作用在石块上的水流剪切应力τ为：
其中，Ψ为Shields数，该数越大，石块的运动性就越强。Ψcr为临界Shields数。τ为剪切应力，ρr为石块的密度，ρw为海水的密度，g为重力加速度，D为石块直径，u为水流流速，C为系数。
当Ψcr＝0.03-0.035时，石块开始运动，当Ψcr＝0.05-0.055时，石块有限制的运动。根据上述公式，可以确定射流器所需的最小流速，从而可以确定射流器所需的泵的最小功率，为实际施工提供参考。
具体为：在FLUENT中建立水射流冲击模型，如图4所示，网格水射流直径为1m，创建长10m，宽10m，高1.3m的流场，网格划分时，设置抛石坝顶面为水射流入口，矩形流场底面为wall，其余几个面为出口，CFD的流体域网格宽度大于石块粒径至少三倍，流体域网格体积大于石块体积至少十倍，设置海水密度为1050kg·m-3，使用k-ε湍流模型，入口流速为10m/s。FLUENT与EDEM相耦合时，EDEM编辑输出时间调零的抛石坝模型，删除颗粒生成工厂，打开耦合开关。FLUENT导入耦合编译文件，进行初始化，设置分析步为100，分析步时长为0.2s。耦合分析完成后的结果，如图5所示。之后可根据不同的工况修改参数，通过结果分析以及不同工况之间的对比，计算出石块运动所需的水射流的启动流速以及防止海缆损坏的水射流安全流速范围，安全流速范围以启动流速为参考，在仿真中流速取不同值，通过仿真分析得到安全流速范围，在清理石块的过程中，海底电缆会因与石块的碰撞而发生相对变形，因此，可以从应变的角度观察不同流速对电缆应变的影响。因为石块堆放在海底电缆上面，选择位于海底电缆外层上表面的中心点单元来进行应变监测，该单元产生的应变最为明显。安全流速范围通过海缆的中心点单元的应变小于海缆允许的最大应变值进行确定，水射流的水流速度应该小于安全流速范围，保证海缆不会损坏。
S500、根据启动流速和安全流速范围，选取最优的水射流水流速度。
所述步骤S500包括：
S501、根据启动流速和流速范围，选取多个水射流水流速度；
S502、对多个水射流水流速度下的工况进行耦合分析，得到抛石坝在不同水流速度下的位移图；所述步骤S502还包括：监测电缆外层上表面的中心点单元的应变情况，获取中心点单元的应变曲线。
S503、根据抛石坝的位移图，选取最优的水射流水流速度。
所述步骤S503包括：根据抛石坝的位移图以及中心点单元的应变曲线，选取最优的水射流水流速度。
具体为：根据启动流速和流速范围，选取水流速度10m/s、20m/s、30m/s进行模拟分析；得到如图6至8所示的三个位移图以及应变曲线，通过抛石坝在不同水流速度下的位移图和应变曲线进行分析，能够选取最优的水流速度，使得使用该水流速度时，海缆周围的石块几乎完全被清理干净，且不会对海缆造成损伤。
如图6所示，当水流流速为10m/s时，抛石坝经过0.055秒的水射流冲击作用后，上层的大部分石块被清除，然而，一些石块在受到撞击后堆积在电缆周围，海底电缆上仍有许多石块覆盖；如图7所示，当水流流速为20m/s时，抛石坝经过0.055秒的水射流冲击作用后，基本上没有石块覆盖电缆，但是电缆的两侧都堆满了石块；如图8所示，当水流流速为30m/s时，抛石坝经过0.055秒的水射流冲击作用后，海缆周围的石块基本都清理干净了；水流速度优选设置为30m/s，每个固定位置的冲击持续时间至少为0.055s，然后，可以移动水射流冲击其他位置，从而提高清理效率。
如图9至11所示，为水流速度分别为10m/s、20m/s和30m/s时所选中心点单元的Y轴的应变-时间图，即竖向应变随时间的变化图。当10m/s的水流冲击0.025s时，曲线趋于平稳，这表明该单元此时基本上没有石块，中心点单元只被水流作用。当20m/s的水流冲击0.0225s时，曲线趋于平稳，当30m/s的水流冲击0.02s时，曲线趋于平稳，流速为20m/s时的应变峰值为7×10-6，在10m/s和30m/s流速下的应变峰值为5×10-6。
经分析可得，在应变-时间曲线的比较中，当水流速度为10m/s和30m/s时，电缆上的中心点单元承受的应变最小；在清理的比较效果图可知，当水流流速为30m/s时，清理效果最好；所以当水流流速为30m/s时，海缆的变形相对最小，抛石坝的清理效果也相对最好，因此选取最优的水射流水流速度为30m/s。其他工况可按同样的方法来进行仿真分析。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
S100、获取抛石坝石块的模拟参数；
S200、确定工况；
S300、对抛石坝进行建模；
S400、利用CFD-DEM进行耦合，对水射流冲击抛石坝的过程进行仿真分析，计算出石块运动所需的水射流的启动流速以及防止海缆损坏的水射流安全流速范围；
S500、根据启动流速和安全流速范围，选取最优的水射流水流速度。
2.根据权利要求1所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S100中，所述模拟参数包括石块的粒径、形状、重量、弹性碰撞系数、剪切模量、石块间的动摩擦系数与静摩擦系数以及抛石坝断面。
3.根据权利要求1所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S200中，所述工况包括水射流口径、流量、流速。
4.根据权利要求2所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S300包括：
S301、根据抛石坝断面建立实体模型；
S302、将实体切割成石块形状；
S303、设定颗粒参数，利用颗粒填充石块，拟合石块；
S304、根据步骤S100中获取的石块粒径，设置石块大小；
S305、静置分析。
5.根据权利要求1所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S400包括：
S401、建立水射流冲击模型；
S402、划分网格，设置水射流入口、出口，将流场底面设置为wall；
S403、CFD-DEM进行耦合分析，计算出石块运动所需的水射流的启动流速以及防止海缆损坏的水射流安全流速范围。
6.根据权利要求5所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S402中，水射流入口为抛石坝顶面，除底面外的其他面均为出口。
7.根据权利要求5所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S403中，耦合分析采用Shields准则来计算：
作用在石块上的水流剪切应力τ为：
其中，Ψ为Shields数，Ψcr为临界Shields数，τ为剪切应力，ρr为石块的密度，ρw为海水的密度，g为重力加速度，D为石块直径，u为水流流速，C为系数。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S500包括：
S501、根据启动流速和安全流速范围，选取多个水射流水流速度；
S502、对多个水射流水流速度下的工况进行耦合分析，得到抛石坝在不同水流速度下的位移图；
S503、根据抛石坝的位移图，选取最优的水射流水流速度。
9.根据权利要求8所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S502还包括：监测电缆外层上表面的中心点单元的应变情况，获取中心点单元的应变-时间曲线。
10.根据权利要求9所述的一种海底电缆抛石坝清理的评价方法，其特征在于：所述步骤S503包括：根据抛石坝的位移图以及中心点单元的应变-时间曲线，选取最优的水射流水流速度。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211191238.8A CN115952744A (zh) | 2022-09-28 | 2022-09-28 | 一种海底电缆抛石坝清理的评价方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117073979A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-17 | 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 | 一种清理水下电缆土壤覆盖物的试验装置及方法 |
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2022
- 2022-09-28 CN CN202211191238.8A patent/CN115952744A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117073979A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-17 | 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 | 一种清理水下电缆土壤覆盖物的试验装置及方法 |
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