基于CFD的海洋平臺樁基沖刷的數值模擬研究

吳志超 駱文波

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.025

收稿日期：2023-06-24

基金項目：廣東省重點領域研發計劃（2022B0101100001）

摘? 要：洋流對樁基的沖刷可能導致海洋風電平臺結構失穩。因此，需要深入研究洋流對樁基周圍的沖刷過程，探索不同樁基直徑在洋流下的沖刷規律。文章設計了2.4米、3.5米、4.0米直徑的樁基，對樁基和流場進行多尺度的網格劃分，通過CFD實驗研究了不同直徑的單樁基礎周圍的海床沖刷問題。仿真實驗結果表明，當樁基直徑增大時，如果沖刷水流速度不變，沖刷孔的深度會增加。根據仿真試驗結果，提出了預測風電樁基周圍沖刷深度的經驗公式。

關鍵詞：海上風電；樁基；沖刷；數值模擬；CFD

中圖分類號：TP391.9；TM614；TU476? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0119-05

Research on Pile Foundation Scouring of Offshore Platform Based on

CFD Numerical Simulation

WU Zhichao1， LUO Wenbo2

（1.Guangdong Energy Group Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou? 510620， China;

2.Guangdong Energy Group Co.， Ltd.， Guangzhou? 510620， China）

Abstract： The scouring of pile foundation may lead to the structural instability of offshore wind power platform. Therefore， it is necessary to research the scouring process of the current around the pile foundation and explore the scouring law under the different pile foundation diameters. In this paper， pile foundations with diameters of 2.4 m， 3.5 m and 4.0 m are designed， and the multi-scale grid division of pile foundation and flow field is carried out. The problem of seabed scouring around single pile foundations with different diameters is studied through CFD experiments. The simulation experiment results show that when the diameter of pile foundation increases， the depth of scouring hole will increase if the velocity of scouring water remains unchanged. Based on the simulation experiment results， an empirical formula for predicting the scouring depth around the wind power pile foundation is proposed.

Keywords： offshore wind power; pile foundation; scouring; numerical simulation; CFD

0? 引? 言

近年來，隨著海洋經濟的發展和資源需求的增加，提高對海洋資源的開發利用水平，建設海洋強國，成為我國的重要戰略目標之一。為此，越來越多的海洋結構物，如海洋平臺、海洋風機等被廣泛應用于海洋資源的開發利用。目前，海上風機或海上平臺已經在世界各地建成，大多數海上風機或海上平臺由樁基支撐。中國海上風電蓬勃發展[1]，新增裝機容量連續三年領跑全球，至2021年年底，累計裝機容量超過10 GW，成為世界第一。海上風電場的樁基基礎長期承受著海洋中波浪和海流等海洋荷載的影響，很容易發生局部沖刷，如圖1所示。海床的局部沖刷會大大降低樁基基礎的承載能力。當樁基的沖刷坑達到一定的沖刷深度時，將會對海上風機的安全產生重大影響，嚴重時可能導致海上風機的傾斜甚至坍塌。因此，對海洋平臺樁基的局部沖刷問題進行了研究。局部沖刷問題的研究對保證海洋平臺在其全生命周期內的正常運營，保障其作業安全，具有十分重要的意義。

海洋樁基沖刷得研究需要涉及泥沙運動力學、計算流體力學和工程地地質學及數值計算方法等，是一個復雜的多學科交叉問題，這給樁基沖刷問題的研究帶來了很大的挑戰。近年來，隨著該問題的日益突出，國內外許多學者應用各種方法對海洋平臺樁基沖刷問題進行了大量的研究，并取得了一定的研究成果。夏冰等人[2]采用CFD技術結合泥沙輸運模型，開展砂質海床上樁基的沖刷數值模擬；ZounematKermani等人[3]使用人工智能技術，基于大量樣本數據預測橋墩周圍的沖刷；Kothyari等人[4]使用實驗和現場調查的數據，改進了現有模型，以預測沖刷深度的時間變化。Khosronejad等人[5]通過實驗和數值研究了不同橫截面形狀橋墩周圍的沖刷。趙學亮等人[6]通過建立三維數值模型，基于重正化群湍流模型和梅葉-彼德推移質輸運公式對吸力筒基礎的局部沖刷進行模擬計算；李言言[7]采用OpemFOAM對聚焦波和固定圓柱之間的相互作用進行數值模擬；Guven等人[8]基于現場測量，開發了一個用于預測圓形樁周圍沖刷深度的線性遺傳規劃模型。凈曉飛等人[9]利用FLOW-3D三維模擬軟件對有無防護下的單樁基礎進行數值模擬；Najafzadeh等人[10]提出了一種數據處理的分組方法，以預測粘性土壤中垂直橋墩周圍的沖刷深度。徐思遠等人[11]利用雙向造流系統和沖刷專用水池進行多種比尺的物理模型實驗研究；Hong[12]研究了活床條件下橋墩沖刷周圍的沖刷深度發展，并提供了一種預測活床沖刷深度時間演變的方法。Guan等人[13]量化了圓形橋墩處發展中的清水沖刷孔中的詳細湍流流場。鄒東波[14]針對斜樁承臺式風電的基礎沖刷問題展開水動力學數值模擬研究；楊奇等人[15]綜合研究了樁基局部沖刷的機理，總結了不同的平衡沖刷深度計算方法。

在波浪和水流的作用下，風力發電基礎安裝在原海床上后，基礎附近的水流顆粒流線會發生變化，流線的突變會導致海床表面土壤顆粒上的剪應力急劇增加，從而造成海床土壤的侵蝕。本文采用CFD軟件對海洋平臺的單樁基礎局部沖刷進行了數值模擬研究，分析了不同條件下樁基周圍流場的分布以及樁基周圍海床沉積物隨沖刷時間和沖刷坑深度的變化，以期為海洋平臺的沖刷防護設計及安全維護提供參考。

1? 數學模型

海洋平臺在海洋環境中正常作業時，其樁基插入到海底的泥沙中，通常會受到海流、波浪的共同作用。鑒于樁基自身的剛度通常較大，一般情況下不會產生大幅度位移，若再忽略樁基自身振動的影響，則可將樁基簡化為剛體，其自身不會對海床的局部沖刷產生影響，樁基周圍的沖刷主要受到流體和泥沙顆粒的相互作用，因此基于流體力學理論和顆粒物受力分析，建立海洋平臺樁基局部泥沙沖刷的數學模型。

1.1? 流體力學模型

在研究樁基沖刷問題時，不考慮樁基處沖刷的能量和溫度等變化，則在流動過程中，流體運動要滿足質量守恒定律和動量守恒定律，即流體的流動控制方程包括連續性方程和動量守恒方程。同時，不考慮流體（海水、泥沙）的可壓縮性，則對不可壓縮流體，其連續性方程（質量守恒方程）可以表示為：

（1）

式中，u、v、w分別表示直角坐標系中流體在x、y、z三個方向上的速度；Ax、Ay、Az分別表示可流動流體分別在x、y、z三個方向上的面積分數。

對不可壓縮流體，動量守恒的方程，又稱Navier-Stokes方程（N-S方程），在直角坐標系下可表示為：

（2）

式中，t表示時間；VF表示可流動流體的體積分數；ρ表示流體的密度；g表示重力加速度；p表示流體的單位面積平均動壓力；流體在x、y、z方向上的粘滯力加速度分別用fx、fy、fz來表示，通常由式（3）計算：

（3）

式中，τij表示流體的切應力，對牛頓流體，其可根據流體的本構方程進行計算得到：

（4）

式中，μ表示流體的動力粘性系數。

為描述流體運動中產生的湍流現象，還需補充流體的湍流模型，常用的湍流模型有標準κ-ε模型，RNG的κ-ε模型，大渦模擬等。其中，RNGκ-ε通過修改湍流粘度并考慮平均流中的旋轉和旋流，該模型可以更好地處理高應變率和大流線曲率的流動。鑒于本文要模擬數值水槽中水流與樁基、海床泥沙之間的相互作用，故采用RNG的κ-ε模型描述流場中可能發生的湍流現象。

1.2? 泥沙輸運模型

海床上的泥沙顆粒在水流的作用下發生推移、懸移、沉降等運動，呈現出輸運、沖刷和沉積等現象，流體流動時帶動泥沙顆粒運動，同時泥沙顆粒運動又影響了流體的運動狀態，因此屬于兩相流運動。通常情況下，自然界中的泥沙顆粒在輸運過程中主要以推移質和懸移質兩種形式運動，其中泥沙推移質輸運是被水流流動方向向前運動得泥沙顆粒；泥沙的懸移質輸運是指泥沙顆粒懸浮在流體中隨流體一起輸運的運動形式。泥沙顆粒的粒徑決定了其在流體中的輸運形式，若泥沙顆粒的粒徑大于臨界粒徑，則其在水流中的輸運以推移質為主；若泥沙顆粒的粒徑小于臨界粒徑，則其在水流中的輸運以懸移質為主；臨界粒徑的大小則由下式計算得到：

（5）

式中，U表示水流的平均速度；D表示泥沙顆粒的中值粒徑。

海床泥沙在水流拖曳力、重力的作用下從靜止狀態逐漸發生起動、沉降等，從而引起沉積泥沙和懸浮泥沙之間的交換。根據泥沙顆粒的受力等，泥沙輸運過程中的起動和沉降控制方程可表示為：

（6）

式中，Ulift和Used分別表示泥沙顆粒的起動和沉降速度；α表示泥沙顆粒起動的系數，通常取0.018；ρp表示泥沙顆粒的密度；dp表示泥沙顆粒粒徑；dn表示泥沙顆粒的無因次粒徑；θ和θcr分別表示泥沙顆粒的希爾茲數和臨界希爾茲數；具體計算如下：

（7）

泥沙的運動狀態，泥沙的輸運方程可以由式（8）表示：

（8）

式中，Ubload表示泥沙的推移質速度和Usload表示泥沙的懸移質速度；U表示流體的運動速度；ρs表示懸移質顆粒密度； 表示流體和懸移質顆粒的平均密度；K表示顆粒的拖曳力。

2? 海洋風電平臺樁基沖刷的數值模擬

本研究基于CFD軟件Flow-3D對海域里的海洋平臺樁基周圍的泥沙沖刷進行數值模擬計算，其中樁基直徑分別為2.4 m、3.5 m和4.0 m，水深為23～27 m，樁基的埋深約30～35 m，平均含沙量為0.008～0.009 kg/m3。海底泥沙主要有淤泥質粉質黏土和黏土粉砂、粗砂構成，泥沙顆粒直徑約為：細砂0.5～2.5 cm，粗砂2～4 cm，泥沙顆粒的中值粒徑約為2.5 cm。

根據該海域樁基周圍的海洋數據的長期測量，可以得到海域的水溫和鹽度參數如表1所列，該海域的海流和潮流參數如表2所示，該海域的土質信息如表3所示。

根據風電設計、建造公司，可以得到研究的風電樁基和海纜的參數如表4所示。

為減小計算工作量，計算模擬時所建立的計算域模型如圖1所示，其中，水深為25 m，泥沙厚度為9 m，樁基距入流邊界、出流邊界距離均為15D，左右邊界和樁基的距離均為5D。計算時采用的縮尺比為1：1。

樁基沖刷的邊界條件如圖2所示：把左側設置為沖刷的入口，定義為流體速度進口邊界，流體的進口流速為0.25 m/s；左側為流體出口，定義為壓力邊界；底部邊界定義為壁面邊界條件；其余邊界采用對稱邊界條件。

在對流體作用下的泥沙沖刷進行模擬時，需要對計算域進行網格劃分。為了能夠對樁基周圍沙床的沖刷特征進行精準描述，在劃分網格時采用嵌套網格對樁基周圍進行網格局部加密，如圖3所示。將計算域內網格劃分為內外兩層。外層網格尺寸均為0.05 m，內層網格尺寸均為0.01 m，總網格數量300多萬。

計算時流體為20°的水，密度為1 000 kg/m3。泥沙顆粒設置如下：海床泥沙中包含3中不同類型的顆粒，分別為細砂、中砂和粗砂，其中細砂的顆粒直徑設置為0.005 m，中砂的顆粒直徑設置為0.015 m，粗砂的顆粒直徑設置為0.025 m；泥沙的密度2 650 kg/m3，泥沙輸運過程中的，計算數值模型考慮流體的粘性和湍流影響，采用RNG的κ-ε模型，并在豎直方向上考慮重力作用，即數值方向重力為-9.81 m/s2。數值模擬計算完成后，渦流強度分布如圖4所示，速度場分布如圖5所示，不同樁基直徑隨時間變化的沖刷深度曲線如圖6所示，不同樁基直徑的沖刷深度預測曲線如圖7所示。

沖刷開始時刻，流體運動的流場還不夠穩定，計算時暫不會考慮泥沙的沖刷，待流場基本穩定后隨著流體的流動，沖刷坑深度逐漸增大，最大可達到約2米左右，達到穩定后沖刷坑深度不再隨時間發生變化。根據仿真試驗結果，可以得到風電樁基周圍沖刷深度的經驗公式：

（9）

其中，x表示樁基的直徑，y表示沖刷穩定后的深度值，R的平方值R2 = 1。通過式（9），就可以預測出不同直徑下的沖刷深度值。

通過數值模擬計算可以發現，樁基周圍泥沙在海流的作用下，從樁基前兩側位置處開始發生局部沖刷。結合流場分析其原因可知：流體流動過程中遇到樁基的阻擋作用，在樁基前側形成流動駐點，流體沿著樁基向其兩側加速運動，并由于流體粘性的作用在樁基后側形成渦流，泥沙在流體的剪切應力、重力等的共同作用下，樁基發生沖刷，在樁基后會有被沖刷的泥沙顆粒沉積。

3? 結? 論

本文研究了不同樁基直徑下的沖刷問題，探索不同樁基直徑在洋流下的沖刷規律。針對樁基直徑為2.4米、3.5米、4.0米的風電樁基，開展了其樁基和流場的多尺度網格劃分，運用流體力學理論和軟件仿真實驗，得到了不同直徑的樁基周圍的海床沖刷深度值。仿真實驗結果表明，當樁基直徑增大時，如果沖刷水流速度不變，沖刷孔的深度會增加。對三組樁基數據進行回歸處理，得到了預測風電樁基周圍沖刷深度的經驗公式。運用該經驗公式，就可以估算出風電樁基被海流沖刷后的穩定深度值，可以為海上風電樁基的設計、施工建設，以及后期的維護奠定基礎，保障海上風電裝置的全壽命周期安全。

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作者簡介：吳志超（1990—），男，漢族，廣東湛江人，工程師，工學學士，主要研究方向：海上風力發電技術研究。