高福平

(中國科學院力學研究所流固耦合系統(tǒng)力學重點實驗室，北京 100190)

(中國科學院大學工程科學學院，北京 100049)

海洋資源開發(fā)及空間利用等工程實踐不斷邁向更深和更遠的海域，面臨深水極端環(huán)境載荷和復雜海床地質條件的嚴峻挑戰(zhàn)。《力學與實踐》組織出版“深海工程力學”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)中的關鍵科學與技術難題，刊登我國學者在深水工程結構系統(tǒng)設計與安全保障技術、深海超常環(huán)境力學等方面取得的若干研究進展，主要涉及深海礦物資源開采[1]、深水管道及立管多相流動與分離調控[2-4]、管道結構力學響應及優(yōu)化設計[5-6]、深水工程結構基礎系統(tǒng)（包括深水拖曳錨[7]、深水防波堤[8]及海上漂浮式風力機[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]。

海南大學沈義俊教授等[1]綜述分析了國內外深海礦物資源開采系統(tǒng)的發(fā)展進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)所涉及到的關鍵力學問題及技術挑戰(zhàn)，主要包括深海礦物資源開采系統(tǒng)的總體設計及集成控制、采礦車采集動態(tài)性能控制、立管輸送系統(tǒng)動態(tài)特性、以及環(huán)境監(jiān)測與評價。

如何準確預測長距離輸送管道內部復雜工況條件下的氣液兩相流動是深海油氣輸運的關鍵工程科學問題。江蘇大學張德勝研究員等[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)展情況進行綜述，分析了歐拉-歐拉方法應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。針對海上油氣井關井狀態(tài)下柔性立管內油氣分層導致的立管張力分布不均勻問題，大連理工大學王振教授等[3]建立分段海洋立管橫向振動的簡化數(shù)學模型，給出了關井狀態(tài)下立管橫向振動的自然頻率及相應的模態(tài)函數(shù)表達式，進而分析了油氣占比、密度、頂張力對振動自然頻率和模態(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，中國科學院力學研究所許晶禹研究員等[4]研發(fā)了一種被動式軸向旋流除氣裝置并設計原理樣機，通過接入自循環(huán)流動系統(tǒng)開展裝置的除氣特性測試，觀測了內部流場氣相分布，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，對海底管道及整個水下生產系統(tǒng)的安全運營產生重要影響。中海石油（中國）有限公司劉孔忠教授級高級工程師等[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算及結構應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儲卸裝置系統(tǒng)的核心裝備之一，而U型波紋管作為管道最內層結構，直接影響低溫管道的安全性。大連理工大學閻軍教授等[6]選取波徑和環(huán)板長度作為獨立結構設計參數(shù)進行了結構有限元分析，并采用遺傳算法對U型波紋管結構開展了多目標優(yōu)化研究。

拖曳錨是一種結構簡單、造價經(jīng)濟的深水系泊基礎型式，其安裝下潛深度直接影響抗拔承載力的發(fā)揮。大連理工大學于龍教授等[7]提出了一種通過調整錨脛側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行了驗證；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計提出了更高要求。天津大學肖忠教授和章嘉晨[8]針對現(xiàn)有箱筒型基礎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)三軸試驗數(shù)據(jù)推導軟土循環(huán)強度計算公式，進而建立了圓矩形吸力式防波堤循環(huán)承載力的高效計算方法。海上漂浮式風力機支撐結構動力載荷的確定對于結構設計、施工過程及運維保障至關重要。上海交通大學張景新副教授等[9]闡釋了浮式支撐平臺水動力載荷計算的勢流理論方法和計算流體動力學CFD模型方法和各自的優(yōu)勢及劣勢；以某浮式支撐結構的物理模型實驗為例，指出現(xiàn)有物理模型實驗技術存在比尺效應等局限性，并提出了改進措施。

針對天然氣水合物熱分解引起的地層多場響應問題，中國科學院力學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、地層應力重分布的特征時間；發(fā)現(xiàn)各特征時間尺度相差兩個量級以上，從而提出了便于應用的解耦分析方法。桂林理工大學顏榮濤教授等[11]以細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，開展三軸壓縮試驗探究了密實度對含水合物土體的力學特性的影響規(guī)律。中國科學院深?？茖W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)預測難題，建立了深水陸坡井場海底穩(wěn)定性評價流程；以瓊東南陸坡區(qū)陵水深水井場為例，構建井場三維海底實體模型，進而預測分析了井場潛在滑坡體位置及可能滑動方向。

從上述文章介紹可以看出，深海工程實踐所涉及的結構類型繁多，且不斷創(chuàng)新演進；然而許多重要的深海工程結構在本專題未能涵蓋，例如深潛器、深海空間站、海底通訊光纜等。海洋環(huán)境是復雜多變的，深海工程結構除了承受臺風、海浪、內波、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。蔚藍色的海洋蘊藏著豐富的資源，21世紀被稱為海洋的世紀。我們要進一步“關心海洋、認識海洋、經(jīng)略海洋，加快海洋科技創(chuàng)新步伐”，為建設海洋強國貢獻力量。