随着对能源需求的增加,我国油气管网规模逐渐扩大,长输油气管道输送范围越来越广,输送环境也日益复杂。在面临穿越山区河流等复杂水域时,水下穿越管道作为首选方案被广泛应用于实际工程中。但其在常年服役过程中,由于自然、人为等多种因素影响易产生裸露、悬空等现象,悬空管段在水流冲击下极易发生断裂,不仅影响着居民的日常生活,随之而来的原油泄漏更是给生态环境带来难以恢复的破坏。因此,研究水下穿越管道悬空段附近的水动力特性及受力特性,探究穿越管道冲刷扩展过程中附近流场分布、受力状态随地形的变化规律,将对管道的检修防护及安全运营具有重要意义。本文通过进行定、动床物理模型试验,对不同参数条件下管道周围流速分布、压强分布进行了测量,并辅以数值模拟手段,在验证数值模拟结果准确性的基础上,运用ANSYS FLUENT软件,采用LES模型,对管道后方的流场结构进行了补充研究,得到了定、动床条件下水下穿越管道周围水动力特性及受力特性随流速、管径、管流夹角、间隙比的变化规律。主要研究成果如下:（1）通过开展定床物理模型试验,得到了管道周围流速、管道表面点压强分布。结果表明:管道附近流速变化幅值、流速最大亏损值及管底流速反转值均随管径、管流夹角的增大而增大,随间隙比的增大而减小。在斜向水流作用下,管道不同截面处的流速分布具有明显的三维效应。管道表面各点压强分布关于x轴趋于对称,管道表面各点压强大小及管道所受合力均与流速、管流夹角、管径呈正相关,与间隙比呈负相关,通过量纲分析法拟合出了单位长度管道所受合力的经验公式,该公式与试验结果拟合度高,并在实际工程中有良好的应用。（2）通过建立定床物理试验的三维数值模型,在验证数值模型正确的基础上对定床条件下管道后方尾流结构进行了补充研究。结果表明:管道后方会出现周期性脱落的卡门涡街,涡量大小约为流速的10倍,管后涡街大小、数量、涡街脱落频率、相邻涡街间的间距随流速、管流夹角、管径的增大而增大,随间隙比的增大而有减小的趋势。管道后方水体紊动特性、回流区长度及尾流区域面积亦随之有相同的变化规律,斜向水流下管道后方尾流结构的三维特征明显。（3）通过进行动床物理模型试验,探究了具有初始冲坑管道的冲坑扩展规律,得到了冲刷扩展过程中管道附近流速、管道表面点压强大小随地形的变化规律。研究结果表明:管道附近流速分布受底部床面影响较大,初始冲刷时管道底部附近的近底流速的增大加速了冲坑扩展,随着冲刷深度的增大,近底流速逐渐减小,冲刷速率减缓直至冲刷平衡。管道表面各点压强及管道所受的水平拖曳力、上升力大小均随冲刷深度的增大而减小。拟合出的管道合力计算经验公式与试验结果吻合度高,可用于预测动床冲刷条件下管道的受力。（4）通过建立动床试验二维数值模型,模拟了不同地形条件下管道后方的流场分布,探究了尾流流线随地形的变化规律。研究表明:管道后方为尾流受底部床面的影响无法形成规则脱落的卡门涡街,初级扩展阶段管道后方漩涡大小随冲刷深度的增大而增大,随后冲刷速率减缓,管后涡街大小减小,床面附近逐渐增大的涡街阻碍了冲刷的发展,冲刷速率降低直至冲刷平衡。