【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】海上風(fēng)能是一種重要的可再生能源，安全高效開發(fā)海上風(fēng)能是實(shí)現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型和雙碳目標(biāo)的重要舉措。在復(fù)雜海洋動(dòng)力環(huán)境中，海上風(fēng)力機(jī)大直徑單樁基礎(chǔ)(直徑5~12米)周圍可出現(xiàn)深度超1.5倍樁徑的巨型沖刷坑，嚴(yán)重威脅風(fēng)力機(jī)整體安全。局部沖刷深度的準(zhǔn)確預(yù)測，成為大直徑單樁基礎(chǔ)分析設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一，直接影響海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LMFS)流固土耦合力學(xué)課題組前期開展了大直徑單樁基礎(chǔ)極限平衡沖刷深度方面的研究，提出了基于波流耦合特征流速定義的無量綱Froude數(shù)，建立了基于該參數(shù)的極限平衡沖刷深度經(jīng)驗(yàn)分析模型，突破了以往基于波浪KC數(shù)的模型框架。
 

　　近年來，海洋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全生命周期安全評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)得到產(chǎn)業(yè)界和研究人員的關(guān)注；準(zhǔn)確預(yù)測大直徑單樁基礎(chǔ)沖刷深度隨時(shí)間的演化，對(duì)于開展風(fēng)力機(jī)全生命周期安全分析具有重要意義。現(xiàn)有的樁基沖刷深度時(shí)變模型要么采用純經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，無法反映擬合公式背后的物理機(jī)制，存在尺度效應(yīng)；要么基于平床輸沙模型構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)公式，忽略了樁基周圍大尺度流場結(jié)構(gòu)的影響，預(yù)測精度和普適性較差。此外，海上風(fēng)力機(jī)在實(shí)際工程環(huán)境中一般受流速連續(xù)變化的潮流作用，水流方向會(huì)發(fā)生周期性逆轉(zhuǎn)；由于潮汐現(xiàn)象的復(fù)雜性，研究中一般需要對(duì)流速時(shí)程曲線進(jìn)行簡化，而這種簡化的影響目前尚不明確。針對(duì)上述問題，LMFS流固土耦合力學(xué)課題組結(jié)合理論分析和物理模型試驗(yàn)等手段，進(jìn)一步對(duì)單向恒定流和雙向往復(fù)潮流作用下樁基局部沖刷發(fā)展過程進(jìn)行研究，揭示了樁基局部沖刷深度隨時(shí)間的演變規(guī)律，為海上風(fēng)力機(jī)大直徑單樁基礎(chǔ)周圍沖刷深度時(shí)變預(yù)測提供了理論模型。
 

　　樁基局部沖刷時(shí)變預(yù)測的核心難點(diǎn)，在于如何科學(xué)反映沖刷發(fā)展過程中擾流流場結(jié)構(gòu)、床面剪應(yīng)力、泥沙輸移率、沖刷地貌隨時(shí)間協(xié)同演化的強(qiáng)耦合效應(yīng)。針對(duì)該問題，研究人員從基本的Kolmogorov湍流唯象理論出發(fā)，建立了樁基沖刷坑附近泥沙輸移率與大尺度馬蹄渦特征尺寸和沖刷深度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系(圖1)。進(jìn)一步基于樁基-海流相互作用的能量原理，并結(jié)合泥沙輸移質(zhì)量守恒方程，建立了具有物理內(nèi)涵的樁基沖刷深度隨時(shí)間演化的微分方程，并求解獲得沖刷時(shí)變發(fā)展的顯式理論解和無量綱沖刷特征時(shí)間尺度的解析表達(dá)，理論結(jié)果得到了十余篇文獻(xiàn)中近百組實(shí)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的驗(yàn)證。沖刷時(shí)變預(yù)測理論模型突破了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)稟尺度效應(yīng)，預(yù)測精度和通用性大幅提升(圖2)，可用于原型大直徑樁基沖刷深度發(fā)展預(yù)測。同時(shí)，該模型具有良好的擴(kuò)展性，目前已成功拓展至黏土海床條件下的樁基沖刷時(shí)變預(yù)測，并正在開展基于物理-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜海洋環(huán)境條件下沖刷時(shí)變預(yù)測研究。
 

　　在大型海洋工程流固土耦合波流水槽中開展典型潮流條件下的樁基沖刷試驗(yàn)，系統(tǒng)揭示了雙向往復(fù)潮流作用下的樁基局部沖刷特性。單樁基礎(chǔ)局部沖刷的發(fā)展受潮流類型、流速和周期等因素的影響，水流方向的周期性變化導(dǎo)致單樁基礎(chǔ)處于不斷的沖刷和回填演變過程。試驗(yàn)?zāi)M常用的簡化方形潮流在初始階段表現(xiàn)出較高的沖刷發(fā)展速度，而接近現(xiàn)場實(shí)際的正弦潮流由于特殊的速度變化，其初始時(shí)刻的沖刷發(fā)展速度為零，直到流速超過特定閾值才開始沖刷；流速的獨(dú)特變化過程導(dǎo)致正弦和方形潮流分別呈現(xiàn)出“短平臺(tái)”和“鋸齒狀”特征。基于無量綱有效流功的概念，揭示了無量綱樁基沖刷深度與有效流量功的一致性關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)一步建立了正弦和方形潮流的等效方法(圖3)，并將潮流沖刷深度與相同流速下的單向流沖刷深度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，提出了潮流和單向流沖刷深度之間的等效關(guān)聯(lián)公式。
 

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金(11972036; 11825205)和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(2021018)資助。論文發(fā)表于海洋工程領(lǐng)域權(quán)威期刊Coastal Engineering, 2024, 190: 104511；Coastal Engineering, 2024, 191: 104533；Ocean Engineering, 2024, 306: 117963上。第一作者王順意為中國科學(xué)院力學(xué)研究所博士研究生，通訊作者為漆文剛副研究員，論文指導(dǎo)老師為高福平研究員和漆文剛副研究員。
 

圖1 基于湍流唯象理論的沖刷深度時(shí)變模型推導(dǎo)思路
 

(a)
 

(b)
 

(c)
 

　　圖2 誤差PDF分布和標(biāo)準(zhǔn)差隨無量綱時(shí)間(t/te)的變化，時(shí)變預(yù)測模型來源于: (a) 本研究; (b) Kothyari et al. (2012); (c) Mia and Nago (2003)
 

圖3 不同海流條件下無量綱沖刷深度隨無量綱有效功的變化