海底天然气泄漏会给人类生存、海洋环境带来严重的负面影响,为了减少经济损失和生态环境破坏,常需掌握天然气在海底的泄漏以及输移扩散特性,为应急处理提供技术支持,具有十分重要的现实意义。本文结合理论推导、实验研究和数值模拟等方法,对海底输气管道泄漏扩散特性进行了研究,其主要内容包括:通过理论推导和实验观察,分析泄漏气体羽流在水下扩散的形态和运动特性,将气体泄漏扩散过程划分为三个主要阶段,观察到羽流发展的三种特殊现象。三个阶段中气体羽流受到不同作用力的主导,单气泡阶段主要受初始动量和表面张力的影响,压力射流阶段初始动量和水体阻力相互作用,浮射流阶段浮力和阻力逐渐达到平衡。上部阻滞现象源自水体对羽流的阻力和剪切作用。当气体流速低时,泄漏口处的气流不规则脉动,出现周期性的径缩和胀鼓现象。当气体流速接近音速时,气流连续,气体羽流形态稳定,出现连续射流现象。采用泄漏水箱模块、实验环道模块、数据采集模块组成的水下气体管道泄漏模拟实验系统,对不同泄漏工况的约150种泄漏工况进行了实验,获得了如下的规律:羽流锥角、羽流偏移、最大羽流半径、最大喷泉高度、羽流轴线速度均随着泄漏压力、泄漏孔径的增大而增大。羽流上升时间随着泄漏压力、泄漏孔径的增大而减小;羽流偏移、最大羽流半径和羽流上升时间随水深的增加而增加。羽流锥角、最大喷泉高度和羽流轴线速度随水深的增加而减小;泄漏偏离竖直方向越多,羽流偏移和羽流半径越大,而喷泉高度和羽流轴线速度越小。由于实验室条件的限制,无法对真实尺寸和复杂环境下的海底管道气体泄漏过程进行实验研究,因此需要论证数值模拟计算应用的可行性。通过PISO计算方法将VOF模型、k-ε模型和DPM模型进行速度和压力耦合,建立一个基于欧拉-拉格朗日计算方法的数值模型,使用该数值模型验证了实验发现的参数变化规律。此外,将实验数据与数值模型计算结果进行误差分析,发现两者的误差均不超过10%,平均误差在3%左右。因此证明,在一定的工况范围内,该数值模型计算具有足够的准确度,在今后的研究中,可以用来对真实尺寸、复杂环境下的海底管道气体泄漏扩散过程进行研究。