海上风电场四圆柱基础冲刷问题数值模拟研究.pdf

海上风电场四圆柱基础冲刷问题数值模拟研究俞梅欣1，2，杨皓然3，朱艳1，2，李小军1，2，韩兆龙3（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海200063；3.上海交通大学，上海200240）摘要：海上风电场的基础冲刷问题危害着整体结构的耐久性和安全性。针对某海上风机四圆柱基础的冲刷问题开展数值模拟研究。采用SST k-棕湍流模型描述水流动力学，采用Exner方程描述水-泥沙交界面运动，采用浸入边界法描述水和泥沙的耦合作用。采用单桩冲刷算例验证了计算方法的准确性和可行性。对于风机的四圆柱基础冲刷问题，研究了0毅和45毅来流作用下的基础冲刷问题。模拟结果显示，4个圆柱基础均有不同程度的冲刷深度，上游圆柱产生的涡流场会引起下游圆柱基础的进一步冲刷。关键词：海上风电场；基础冲刷；数值模拟中图分类号：TU476；U655.54文献标志码：A文章编号：2095-7874（2024）01-0013-05doi：10.7640/zggwjs202401003Numerical simulation study on the scouring problem of four-cylinderfoundations in offshore wind farmsYU Mei-xin1,2,YANG Hao-ran3,ZHU Yan1,2,LI Xiao-jun1,2,HAN Zhao-long3（1.China Shipbuilding NDRI Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China;2.Shanghai Research Centre of Ocean&Shipbuilding Marine Engineering,Shanghai 200063,China;3.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）Abstract：The foundation scouring problem of offshore wind farms endangers the overall structural durability and safety.Anumerical simulation study was conducted on the scouring problem of the four-cylinder foundation of an offshore wind turbine.The SST-k棕 turbulence model was used to simulate the flow dynamics,the Exner equation was used to simulate the motion ofthe water-sediment interface,and the immersed boundary method were used to simulate the coupling effect of water andsediment.The accuracy and feasibility of the calculation method were verified using a single pile scouring example.For thefour-cylinder foundation scouring problem of wind turbines,the foundation scouring problem at flow incidence of 0毅and 45毅inflow was studied.The simulation results show that the scour depths can be observed on each of the four-cylinders foundation,and that the vortex field from the upstream cylinder may cause further scour phenomenon on the downstream cylinderfoundation.Key words：offshore wind farms;foundation scour;numerical simulation中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第1期2024年1月Vol.44No.1Jan.2024收稿日期：2023-06-30修回日期：2023-09-10基金项目：上海市优秀学术/技术带头人计划资助（23XD1434800）作者简介：俞梅欣（1984），男，浙江舟山人，硕士，高级工程师，从事海洋能开发利用、近海及深远海特种工程科研与设计工作。E-mail：0引言近海和深远海中的固定式海洋构筑物的基础结构形式多样，包括重力式、桩基式、导管架式、负压筒式及其他各种新型结构，功能用于海洋能开发、海底监测、深海采矿等，其中在水深不大时，以纯桩基式及导管架结合桩基式结构较为常见，目前已被广泛应用于海上风电机组及海上升压站基础结构等海洋构筑物的建设中。但在海洋环境下，基础底部局部冲刷现象经常发生，引起桩柱失稳和局部强度下降等问题，甚至会影响整个风电基础的稳定性。海流作用下单桩与桩群的冲刷问题引起了学术界和工程界的关注，采用理中国港湾建设2024年第1期论分析、物理试验与数值计算研究方法开展了一系列研究工作，并取得了相关成果1。截止目前，单桩冲刷问题的研究已有较多报道。Roulund等2采用数值计算与物理试验相结合的方法开展了单桩冲刷问题的研究，分析了雷诺数、粗糙度与边界层厚度对桩后泥沙运动的影响。祁一鸣等3研究了洋口海域环境作用下的海上风电桩基局部冲刷问题，提出了防护措施以保证风力机的稳定性。此外，随着高性能计算技术的进步，一些学者采用数值计算方法对冲刷问题中的流场演化、泥沙运动与结构稳定性等方面进行研究4。漆文刚等5发现冲刷引起的桩基埋深变化会改变桩基的受力模式。Nagel等6采用两相流模型对单桩冲刷问题进行了研究，分析了桩基周围流场分布对泥沙输运的影响。Song等7采用浸入边界方法研究了单桩周围泥沙运动规律。骆光杰等8采用FLOW 3D软件建立三维计算模型，对比研究了不同尺寸圆形挡板工况下单桩基础局部冲刷防护效果。相对于单桩工况而言，多桩冲刷的工况更为复杂，逐渐引起重视。Liang等9对3种不同布置形式下单桩、多桩的冲刷问题进行了试验研究，对冲刷深度进行了对比分析，并提出了简化计算公式。邹东波10采用数值计算与物理试验相结合的方法，对单桩与圆形八桩群的抗冲刷性能进行研究，得到了冲刷深度随时间变化的计算公式，同时提出了新型的防冲刷装置能减轻60%的作用。及春宁团队采用数值模拟方法对单桩、双桩与圆形八桩群的局部冲刷问题进行了研究，分析了水深与桩间距对冲刷的影响，并阐明了桩群局部冲刷的流动机理11-12。海上风电机组的导管架基础结构底部在海床面处多为正方形排列四圆柱基础支撑，目前，对四圆柱桩群基础局部冲刷问题的研究还不成熟。因此，本文主要研究不同来流方向对正方形布置四圆柱群基础的流场分布和局部冲刷的影响。1计算模型1.1计算参数本次研究项目背景为某海域的海上风电工程项目，其主体基础形式为导管架基础结构，导管架底部为正方形排列的四圆柱桩基支撑。其计算模型图见图1。正方形边长处2个圆柱圆心的距离为15 m，桩的直径D=2.2 m，计算水深14.7 m，表层水流来流流速2.5 m/s，切向流速分布采用二维模型试算求得。水底面往下7.3 m深度为淤泥土，底质泥沙中值粒径0.1 mm，泥沙密度2 650kg/m3。具体的工程参数见表1。通过数值模拟方法研究四圆柱基础的冲刷问题。1.2控制方程计算模型中，流体的控制方程采用连续性方程和Navier-Stokes方程描述7，12。由于该问题涉及到湍流计算7，采用SST k-棕湍流模型描述水流动力学问题（式（1）、式（2）。鄣k鄣t+（Uk）=（自+琢k自t）k+Pk-C滋k棕（1）鄣棕鄣t+（U棕）=-（自+琢棕自t）棕-茁棕2+2（1-F1）1棕k 棕（2）式中：k和棕分别代表湍动能和单位湍流动能耗散率；Pk为湍动能生成率，Pk=自tS2；C滋、茁为经验常数，本文中C滋=0.09，茁=0.082 8；S是流体应变率张量的标量不变量，S=2SijSij姨，其中Sij=0.5（U+UT）为流体的应变率张量，U为速度矢量，包含表1四圆柱基础冲刷问题的工程参数Table 1Engineering parameters for the scour problem ofa four-cylinder foundation模型参数数值水深/m14.7淤泥深/m7.3表层来流平均流速/（ms-1）2.5桩直径D/m2.2相邻圆心间距/m15底质泥沙中值粒径/mm0.1泥沙密度/（kgm-3）2 650海床孔隙率n0.6图1四圆柱基础冲刷模型示意图Fig.1Schematic diagram of four-cylinder foundationscour model水流淤泥桩14窑窑2024年第1期（a）计算域网格2算例验证为验证本文数值方法的可靠性和适用性，采用单圆柱型桩冲刷算例开展验证比较研究。该算例中，圆柱的直径D=53.6 cm，水流来流流速0.46m/s，底质泥沙中值粒径0.26 mm，泥沙密度2 650kg/m3。图3（a）为该算例的计算域，尺寸为宽伊长伊深=9D伊14D伊4D，总计算深度0.4 m，其中水深颐淤泥深=1颐3。计算总网格数453 024，计算时间步长驻t=0.001 s。数值计算方法同前，验证算例的工程参数如表2所示。x，y，z方向的速度分量；F1为混合函数，在边界层内层大部分区域上等于1。对于水底的水-泥沙界面的床面高程的控制方程用Exner方程表达（式（3）。（1-n）鄣zb鄣t=-鄣（鄣qB，xi）鄣xi（3）式中：zb为局部床面高程；n为沙床的孔隙率；qB为海床面的泥沙输运率。海床面泥沙输运率方程采用经验公式计算（式（4），其中兹=渣子渣/（籽倮Rd）是泥沙的希尔兹数，兹c是泥沙的临界希尔兹数。qBR倮d姨d=18.74（兹-兹c）（兹1/2-0.7兹c1/2）兹兹c0兹臆兹c嗓（4）数值计算在OpenFOAM开源平台和64核小型服务器上进行。流体计算采用pisoFoam求解器，采用了有限体积法求解式（1）中的湍流模型。流体域和泥沙域采用浸入边界法开展耦合计算。具体其他参数物理意义和计算过程，参见参考文献7。图2为流体域和淤泥泥沙域的计算网格模型，整体计算域尺寸为宽伊长伊深=20D伊40D伊10D（D=2.2 m），其中水深颐淤泥深=2颐1。考虑2种来流角度琢=0毅和琢=45毅，分别对应图2（a）和图2（b），总的计算网格数分别是2 389 804和2 351 862。通过多次试算，取计算时间步长驻t=0.001 s。时间步长过大会造成计算发散，步长过小会加大计算量。图2不同来流入射角的四圆柱冲刷问题的计算域和网格Fig.2Computational domain and grid for four-cylinder scouring problems with different incidence angles of flow图3单圆柱冲刷验证算例Fig.3Verification calculation example of single cylinder scour（b）冲刷深度结果与文献2对比试验结果（Roulund et al.,2005）数值结果（Roulund et al.,2005）本文结果1.41.21.00.80.60.40.20t/min302010155250（a）来流琢=0毅（b）来流琢=45毅1D俞梅欣，等：海上风电场四圆柱基础冲刷问题数值模拟研究15中国港湾建设2024年第1期图5x方向的平均速度场Fig.5Averaged velocity field in the x-direction（b）来流琢=45毅（a）来流琢=0毅图6x方向的瞬时涡量场Fig.6Instantaneous vorticity field in the x-direction（b）来流琢=45毅（a）来流琢=0毅表2验证算例的工程参数Table 2Engineering parameters for the verificationexample模型参数数值水深/cm54淤泥深/cm162表层来流平均流速/（cms-1）46桩直径D/cm53.6底质泥沙中值粒径/mm0.26泥沙密度/（kgm-3）2 650海床孔隙率n0.6图3（b）为本文单圆柱冲刷深度的数值结果与Roulund等2的数值模拟和试验测量的结果对比图。可以看到，本文的数值模拟结果与文献的结果接近，平稳后的单桩冲刷深度为1D左右。该结果验证了本文使用数值方法研究圆柱冲刷问题的可靠性和适用性。3结果和讨论图4为来流垂直方向平均流速分布图，流速分布呈现出明显的抛物特性，近海床区域流速几乎为0，离开海床后流速快速增加并接近表层来流速度。图5、图6分别为来流琢=0毅和琢=45毅的情况下，四圆柱的x方向速度场及涡量场分布图。可以清楚地看出，由于圆柱的存在和边界条件的变化，在圆柱周围发生剧烈的流场速度变化和涡脱落现象，同时上游圆柱会产生涡脱落，撞击在下游圆柱周围，在下游圆柱进一步产生新的涡脱落，这些涡旋向远尾流区进一步发展。图7为冲刷引起的海床表面的三维变化图，图7（a）和（b）分别为对应来流角度琢=0毅和琢=45毅的情况。图4垂直方向的平均流速分布Fig.4Average velocity distribution in the verticaldirection3.02.52.01.51.00.50深度/m159563111148472100131216窑窑2024年第1期注：四圆柱基础未显示。图7不同角度来流下冲刷引起的海床表面冲刷形态Fig.7The scour pattern on the seabed surface causedby scour from different angles of flow（b）来流琢=45毅（a）来流琢=0毅图8数值模拟与经验公式冲刷深度对比Fig.8Comparison of scour depth between numericalsimulation and empirical formula为清楚显示冲刷结果，四圆柱基础设置为隐藏状态。可以看出，速度剧烈变化和涡旋撞击是产生冲刷的重要原因，在速度变化剧烈和涡旋冲击频繁的地方，如圆柱底部周围和下游区，产生了很明显的冲刷坑和地形变化，在圆柱基础底部产生较大的冲刷深度。对比（a）和（b）图，由于来流的不同角度，冲刷产生的地形变化也有所不同。来流角度琢=45毅时侧向的两桩在尾流干扰作用下出现了明显的冲刷形态不对称，而来流角度琢=0毅时冲刷形态几乎对称分布。经测量，（a）和（b）中的最大冲刷深度约为2.5 m（抑1.14D）和2.6 m（抑1.18D），（a）中最大冲刷深度出现在上游两桩处，（b）中最大冲刷深度出现在侧方两桩处。冲刷深度数值模拟结果与韩海骞公式13、美国科罗拉多大学HEC-18公式14、Gao公式15的对比见图8。可以发现数值模拟计算得到的冲刷深度相对于韩海骞公式和Gao公式较小，与HEC-18公式接近。4结语本文采用OpenFOAM计算平台数值研究了海洋风电正方形排列四圆柱基础的冲刷问题，分别采用SST k-棕湍流模型描述水流动力学，采用Exner方程描述水-泥沙交界面运动，采用浸入边界法描述水和泥沙的耦合作用，研究了来流琢=0毅和琢=45毅两种情况，得出相关结论如下：1）该数值方法可较好地模拟海洋风电圆柱类型支撑基础的冲刷问题，验证算例显示数值结果与文献试验结果吻合良好。2）基础冲刷产生的重要原因是流场的速度变化和涡旋脱落；不同的来流角度会产生不同的流场变化，因此也会引起不同的冲刷地形。3）对于四圆柱基础，每个圆柱都产生了不同程度的较大冲刷深度，且在尾流区也会产生冲刷地形的变化。以上方法和结论可以为研究海洋风电的基础冲刷问题提供参考和支撑。参考文献：1王勇强，靳朝晖，张颖，等.海上风电风机基础冲刷研究进展J.武汉大学学报（工学版），2020，53（S1）：237-244.WANG Yong-qiang,JIN Zhao-hui,ZHANG Ying,et al.Researchprogress of the scour around offshore turbine foundationJ.Engi原neering Journal of Wuhan University,2020,53(S1):237-244.2ROULUND A,MUTLU SUMER B,FREDS覫E J,et al.Numericaland experimental investigation of flow and scour around a circularpileJ.Journal of Fluid Mechanics,2005,534:351-401.3祁一鸣，陆培东，曾成杰，等.海上风电桩基局部冲刷试验研究J.水利水运工程学报，2015（6）：60-67.QI Yi-ming,LU Pei-dong,ZENG Cheng-jie,et 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three-dimensional scour modelsJ.Coastal Engineering,2022,171:104037.8骆光杰，詹懿德，葛畅，等.基于Flow3D的海上风电单桩基础冲刷防护数值模拟研究J.水力发电，2021，47（8）：110-114.LUO Guang-jie,ZHAN Yi-de,GE Chang,et al.Numerical simu原lation on scour protection of single-pile foundation of offshore windpower based on flow3DJ.Water Power,2021,47(8):110-114.9LIANG F,WANG C,HUANG M,et al.Experimental observationsand evaluations of formulae for local scour at pile groups in steadycurrentsJ.Marine Georesources&Geotechnology,2017,35(2):245-255.10邹东波.承台式海上风电桩基础局部冲刷及防冲装置的模拟研究D.广州：华南理工大学，2021.ZOU Dong-bo.Simulation study of local scour and anti-scouringdevice for supporting offshore wind turbine pile foundation D.Guangzhou:South China University of Technology,2021.11 ZHAO S,JI C,SUN Z,et al.Effects of the gap on the local scouraround two tandem piles in shallow flowsJ.Ocean Engineering,2022,246:110575.12宋木清，及春宁，许栋.单向流作用下多桩承台式基础局部冲刷数值模拟研究J.水动力学研究与进展A辑，2023，38（1）：1-9.SONG Mu-qing,JI Chun-ning,XU Dong.Numerical investigationon local scour of 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width ofharbor basin on port service level based on system simulationJ.Port&Waterway Engineering,2018(1):160-165.2梅蕾，汪锋，姜俊杰.海港港池和回旋水域平面尺度研究J.水运工程，2015（7）：102-107.MEI Lei,WANG Feng,JIANG Jun-jie.Plane dimensions of harborberthing basin and turning areaJ.Port&Waterway Engineering,2015(7):102-107.3ROM 3.1-99(2007),Recommendations for the design of the mar原itime configuration of ports,approach channels and harbor basinsS.4BS 6349,Maritime works-Part 1-1:General-Code of practice forplanning and design for operationsS.5EM 1110-2-1100,Coastal engineering manualS.6PIANC.Harbor approach channels-Design guidelines,report ofworking group 49S.7JTS 1652013，海港总体设计规范S.JTS 1652013,Design code of general layout for sea portsS.8ACE Consulting Engineers Moharram Bakhoum.ME036S-T-S-A-D-R-0202-C00:Consultancy services for feasibility study includ原ing bathymetric,hydrodynamic and geotechnical surveys for dredg原ing of Dar es Salaam Port entrance channel and turning basinsR.2017.60窑窑