基于CFD的海洋平台桩基冲刷的数值模拟研究

吴志超 骆文波

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.025

收稿日期：2023-06-24

基金项目：广东省重点领域研发计划（2022B0101100001）

摘  要：洋流对桩基的冲刷可能导致海洋风电平台结构失稳。因此，需要深入研究洋流对桩基周围的冲刷过程，探索不同桩基直径在洋流下的冲刷规律。文章设计了2.4米、3.5米、4.0米直径的桩基，对桩基和流场进行多尺度的网格划分，通过CFD实验研究了不同直径的单桩基础周围的海床冲刷问题。仿真实验结果表明，当桩基直径增大时，如果冲刷水流速度不变，冲刷孔的深度会增加。根据仿真试验结果，提出了预测风电桩基周围冲刷深度的经验公式。

关键词：海上风电；桩基；冲刷；数值模拟；CFD

中图分类号：TP391.9；TM614；TU476    文献标识码：A  文章编号：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

近年来，随着海洋经济的发展和资源需求的增加，提高对海洋资源的开发利用水平，建设海洋强国，成为我国的重要战略目标之一。为此，越来越多的海洋结构物，如海洋平台、海洋风机等被广泛应用于海洋资源的开发利用。目前，海上风机或海上平台已经在世界各地建成，大多数海上风机或海上平台由桩基支撑。中国海上风电蓬勃发展[1]，新增装机容量连续三年领跑全球，至2021年年底，累计装机容量超过10 GW，成为世界第一。海上风电场的桩基基础长期承受着海洋中波浪和海流等海洋荷载的影响，很容易发生局部冲刷，如图1所示。海床的局部冲刷会大大降低桩基基础的承载能力。当桩基的冲刷坑达到一定的冲刷深度时，将会对海上风机的安全产生重大影响，严重时可能导致海上风机的倾斜甚至坍塌。因此，对海洋平台桩基的局部冲刷问题进行了研究。局部冲刷问题的研究对保证海洋平台在其全生命周期內的正常运营，保障其作业安全，具有十分重要的意义。

海洋桩基冲刷得研究需要涉及泥沙运动力学、计算流体力学和工程地地质学及数值计算方法等，是一个复杂的多学科交叉问题，这给桩基冲刷问题的研究带来了很大的挑战。近年来，随着该问题的日益突出，国内外许多学者应用各种方法对海洋平台桩基冲刷问题进行了大量的研究，并取得了一定的研究成果。夏冰等人[2]采用CFD技术结合泥沙输运模型，开展砂质海床上桩基的冲刷数值模拟；ZounematKermani等人[3]使用人工智能技术，基于大量样本数据预测桥墩周围的冲刷；Kothyari等人[4]使用实验和现场调查的数据，改进了现有模型，以预测冲刷深度的时间变化。Khosronejad等人[5]通过实验和数值研究了不同横截面形状桥墩周围的冲刷。赵学亮等人[6]通过建立三维数值模型，基于重正化群湍流模型和梅叶-彼德推移质输运公式对吸力筒基础的局部冲刷进行模拟计算；李言言[7]采用OpemFOAM对聚焦波和固定圆柱之间的相互作用进行数值模拟；Guven等人[8]基于现场测量，开发了一个用于预测圆形桩周围冲刷深度的线性遗传规划模型。净晓飞等人[9]利用FLOW-3D三维模拟软件对有无防护下的单桩基础进行数值模拟；Najafzadeh等人[10]提出了一种数据处理的分组方法，以预测粘性土壤中垂直桥墩周围的冲刷深度。徐思远等人[11]利用双向造流系统和冲刷专用水池进行多种比尺的物理模型实验研究；Hong[12]研究了活床条件下桥墩冲刷周围的冲刷深度发展，并提供了一种预测活床冲刷深度时间演变的方法。Guan等人[13]量化了圆形桥墩处发展中的清水冲刷孔中的详细湍流流场。邹东波[14]针对斜桩承台式风电的基础冲刷问题展开水动力学数值模拟研究；杨奇等人[15]综合研究了桩基局部冲刷的机理，总结了不同的平衡冲刷深度计算方法。

在波浪和水流的作用下，风力发电基础安装在原海床上后，基础附近的水流颗粒流线会发生变化，流线的突变会导致海床表面土壤颗粒上的剪应力急剧增加，从而造成海床土壤的侵蚀。本文采用CFD软件对海洋平台的单桩基础局部冲刷进行了数值模拟研究，分析了不同条件下桩基周围流场的分布以及桩基周围海床沉积物随冲刷时间和冲刷坑深度的变化，以期为海洋平台的冲刷防护设计及安全维护提供参考。

1  数学模型

海洋平台在海洋环境中正常作业时，其桩基插入到海底的泥沙中，通常会受到海流、波浪的共同作用。鉴于桩基自身的刚度通常较大，一般情况下不会产生大幅度位移，若再忽略桩基自身振动的影响，则可将桩基简化为刚体，其自身不会对海床的局部冲刷产生影响，桩基周围的冲刷主要受到流体和泥沙颗粒的相互作用，因此基于流体力学理论和颗粒物受力分析，建立海洋平台桩基局部泥沙冲刷的数学模型。

1.1  流体力学模型

在研究桩基冲刷问题时，不考虑桩基处冲刷的能量和温度等变化，则在流动过程中，流体运动要满足质量守恒定律和动量守恒定律，即流体的流动控制方程包括连续性方程和动量守恒方程。同时，不考虑流体（海水、泥沙）的可压缩性，则对不可压缩流体，其连续性方程（质量守恒方程）可以表示为：

（1）

式中，u、v、w分别表示直角坐标系中流体在x、y、z三个方向上的速度；Ax、Ay、Az分别表示可流动流体分别在x、y、z三个方向上的面积分数。

对不可压缩流体，动量守恒的方程，又称Navier-Stokes方程（N-S方程），在直角坐标系下可表示为：

（2）

式中，t表示时间；VF表示可流动流体的体积分数；ρ表示流体的密度；g表示重力加速度；p表示流体的单位面积平均动压力；流体在x、y、z方向上的粘滞力加速度分别用fx、fy、fz来表示，通常由式（3）计算：

（3）

式中，τij表示流体的切应力，对牛顿流体，其可根据流体的本构方程进行计算得到：

（4）

式中，μ表示流体的动力粘性系数。

为描述流体运动中产生的湍流现象，还需补充流体的湍流模型，常用的湍流模型有标准κ-ε模型，RNG的κ-ε模型，大涡模拟等。其中，RNGκ-ε通过修改湍流粘度并考虑平均流中的旋转和旋流，该模型可以更好地处理高应变率和大流线曲率的流动。鉴于本文要模拟数值水槽中水流与桩基、海床泥沙之间的相互作用，故采用RNG的κ-ε模型描述流场中可能发生的湍流现象。

1.2  泥沙输运模型

海床上的泥沙颗粒在水流的作用下发生推移、悬移、沉降等运动，呈现出输运、冲刷和沉积等现象，流体流动时带动泥沙颗粒运动，同时泥沙颗粒运动又影响了流体的运动状态，因此属于两相流运动。通常情况下，自然界中的泥沙颗粒在输运过程中主要以推移质和悬移质两种形式运动，其中泥沙推移质输运是被水流流动方向向前运动得泥沙颗粒；泥沙的悬移质输运是指泥沙颗粒悬浮在流体中随流体一起输运的运动形式。泥沙颗粒的粒径决定了其在流体中的输运形式，若泥沙颗粒的粒径大于临界粒径，则其在水流中的输运以推移质为主；若泥沙颗粒的粒径小于临界粒径，则其在水流中的输运以悬移质为主；临界粒径的大小则由下式计算得到：

（5）

式中，U表示水流的平均速度；D表示泥沙颗粒的中值粒径。

海床泥沙在水流拖曳力、重力的作用下從静止状态逐渐发生起动、沉降等，从而引起沉积泥沙和悬浮泥沙之间的交换。根据泥沙颗粒的受力等，泥沙输运过程中的起动和沉降控制方程可表示为：

（6）

式中，Ulift和Used分别表示泥沙颗粒的起动和沉降速度；α表示泥沙颗粒起动的系数，通常取0.018；ρp表示泥沙颗粒的密度；dp表示泥沙颗粒粒径；dn表示泥沙颗粒的无因次粒径；θ和θcr分别表示泥沙颗粒的希尔兹数和临界希尔兹数；具体计算如下：

（7）

泥沙的运动状态，泥沙的输运方程可以由式（8）表示：

（8）

式中，Ubload表示泥沙的推移质速度和Usload表示泥沙的悬移质速度；U表示流体的运动速度；ρs表示悬移质颗粒密度； 表示流体和悬移质颗粒的平均密度；K表示颗粒的拖曳力。

2  海洋风电平台桩基冲刷的数值模拟

本研究基于CFD软件Flow-3D对海域里的海洋平台桩基周围的泥沙冲刷进行数值模拟计算，其中桩基直径分别为2.4 m、3.5 m和4.0 m，水深为23～27 m，桩基的埋深约30～35 m，平均含沙量为0.008～0.009 kg/m3。海底泥沙主要有淤泥质粉质黏土和黏土粉砂、粗砂构成，泥沙颗粒直径约为：细砂0.5～2.5 cm，粗砂2～4 cm，泥沙颗粒的中值粒径约为2.5 cm。

根据该海域桩基周围的海洋数据的长期测量，可以得到海域的水温和盐度参数如表1所列，该海域的海流和潮流参数如表2所示，该海域的土质信息如表3所示。

根据风电设计、建造公司，可以得到研究的风电桩基和海缆的参数如表4所示。

为减小计算工作量，计算模拟时所建立的计算域模型如图1所示，其中，水深为25 m，泥沙厚度为9 m，桩基距入流边界、出流边界距离均为15D，左右边界和桩基的距离均为5D。计算时采用的缩尺比为1：1。

桩基冲刷的边界条件如图2所示：把左侧设置为冲刷的入口，定义为流体速度进口边界，流体的进口流速为0.25 m/s；左侧为流体出口，定义为压力边界；底部边界定义为壁面边界条件；其余边界采用对称边界条件。

在对流体作用下的泥沙冲刷进行模拟时，需要对计算域进行网格划分。为了能够对桩基周围沙床的冲刷特征进行精准描述，在划分网格时采用嵌套网格对桩基周围进行网格局部加密，如图3所示。将计算域内网格划分为内外两层。外层网格尺寸均为0.05 m，内层网格尺寸均为0.01 m，总网格数量300多万。

计算时流体为20°的水，密度为1 000 kg/m3。泥沙颗粒设置如下：海床泥沙中包含3中不同类型的颗粒，分别为细砂、中砂和粗砂，其中细砂的颗粒直径设置为0.005 m，中砂的颗粒直径设置为0.015 m，粗砂的颗粒直径设置为0.025 m；泥沙的密度2 650 kg/m3，泥沙输运过程中的，计算数值模型考虑流体的粘性和湍流影响，采用RNG的κ-ε模型，并在竖直方向上考虑重力作用，即数值方向重力为-9.81 m/s2。数值模拟计算完成后，涡流强度分布如图4所示，速度场分布如图5所示，不同桩基直径随时间变化的冲刷深度曲线如图6所示，不同桩基直径的冲刷深度预测曲线如图7所示。

冲刷开始时刻，流体运动的流场还不够稳定，计算时暂不会考虑泥沙的冲刷，待流场基本稳定后随着流体的流动，冲刷坑深度逐渐增大，最大可达到约2米左右，达到稳定后冲刷坑深度不再随时间发生变化。根据仿真试验结果，可以得到风电桩基周围冲刷深度的经验公式：

（9）

其中，x表示桩基的直径，y表示冲刷稳定后的深度值，R的平方值R2 = 1。通过式（9），就可以预测出不同直径下的冲刷深度值。

通过数值模拟计算可以发现，桩基周围泥沙在海流的作用下，从桩基前两侧位置处开始发生局部冲刷。结合流场分析其原因可知：流体流动过程中遇到桩基的阻挡作用，在桩基前侧形成流动驻点，流体沿着桩基向其两侧加速运动，并由于流体粘性的作用在桩基后侧形成涡流，泥沙在流体的剪切应力、重力等的共同作用下，桩基发生冲刷，在桩基后会有被冲刷的泥沙颗粒沉积。

3  结  论

本文研究了不同桩基直径下的冲刷问题，探索不同桩基直径在洋流下的冲刷规律。针对桩基直径为2.4米、3.5米、4.0米的风电桩基，开展了其桩基和流场的多尺度网格划分，运用流体力学理论和软件仿真实验，得到了不同直径的桩基周围的海床冲刷深度值。仿真实验结果表明，当桩基直径增大时，如果冲刷水流速度不变，冲刷孔的深度会增加。对三组桩基数据进行回归处理，得到了预测风电桩基周围冲刷深度的经验公式。运用该经验公式，就可以估算出风电桩基被海流冲刷后的稳定深度值，可以为海上风电桩基的设计、施工建设，以及后期的维护奠定基础，保障海上风电装置的全寿命周期安全。

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.

[2] 夏冰，苗得胜，张敏，等.海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟 [J].南方能源建设，2023，10（1）：81-87.

[3] ZOUNEMAT-KERMANI M，BEHESHTI A A，ATAIE-ASHTIANI B，et al. Estimation of current-induced scour depth around pile groups using neural network and adaptive neuro-fuzzy inference system[J].Applied Soft Computing，2009，9（2）：746-755.

[4] KOTHYARI U C ，GARDE R C J，RAJU K G R. Temporal variation of scour around circular bridge piers [J].Journal of Hydraulic Engineering，1996，118（8）：1091-1106.

[5] KHOSRONEJAD A，KANG S，SOTIROPOULOS F. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers [J].Advances in Water Resources，2012，37：73-85.

[6] 趙学亮，隋淑环，陈馨睿，等.砂土中吸力式筒形基础冲刷数值模拟分析 [J].哈尔滨工程大学学报，2023，44（4）：554-562.

[7] 李言言.海上风力发电机单桩基础冲刷防护研究 [D].舟山：浙江海洋大学，2022.

[8] GUVEN A，AZAMATHULLA H，ZAKARIA N A. Linear genetic programming for prediction of circular pile scour [J].Ocean engineering，2009，36 ：985-991.

[9] 净晓飞，刘国，柏延强，等.基于FLOW-3D的单桩海上风电基础防冲刷数值模拟研究 [J].水道港口，2021，42（6）：724-730.

[10] NAJAFZADEH M，BARANI G，MOHAMMAD H. GMDH to predict scour depth around a pier in cohesive soils [J].Applied Ocean Research，2013，40：35-41.

[11] 徐思远，张金凤，李明星.双向流作用下海上风电单桩基础局部冲刷实验研究 [J].水动力学研究与进展（A辑），2021，36（3）：340-346.

[12] HONG J，CHIEW Y，CHENG N. Scour caused by a propeller jet [J].Journal of Hydraulic Engineering，2013，139：1003-1020.

[13] GUAN D，CHIEW Y，WEI M，et al. Characterization of horseshoe vortex in a developing scour hole at a cylindrical bridge pier [J].International Journal of Sediment Research，2019，34（2）：118-124.

[14] 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.

[15] 杨奇，刘红军，潘光来，等.海上风电单桩基础局部冲刷研究进展 [J].泥沙研究，2019，44（5）：74-81.

作者简介：吴志超（1990—），男，汉族，广东湛江人，工程师，工学学士，主要研究方向：海上风力发电技术研究。