【儀表網 研發快訊】海上風能是一種重要的可再生能源，安全高效開發海上風能是實現我國能源轉型和雙碳目標的重要舉措。在復雜海洋動力環境中，海上風力機大直徑單樁基礎(直徑5~12米)周圍可出現深度超1.5倍樁徑的巨型沖刷坑，嚴重威脅風力機整體安全。局部沖刷深度的準確預測，成為大直徑單樁基礎分析設計的關鍵問題之一，直接影響海上風機整體結構的抗傾覆性能。力學研究所流固耦合系統力學重點實驗室(LMFS)流固土耦合力學課題組前期開展了大直徑單樁基礎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，建立了基于該參數的極限平衡沖刷深度經驗分析模型，突破了以往基于波浪KC數的模型框架。
近年來，海洋基礎結構全生命周期安全評價與設計得到產業界和研究人員的關注；準確預測大直徑單樁基礎沖刷深度隨時間的演化，對于開展風力機全生命周期安全分析具有重要意義。現有的樁基沖刷深度時變模型要么采用純經驗數據擬合，無法反映擬合公式背后的物理機制，存在尺度效應；要么基于平床輸沙模型構建半經驗公式，忽略了樁基周圍大尺度流場結構的影響，預測精度和普適性較差。此外，海上風力機在實際工程環境中一般受流速連續變化的潮流作用，水流方向會發生周期性逆轉；由于潮汐現象的復雜性，研究中一般需要對流速時程曲線進行簡化，而這種簡化的影響目前尚不明確。針對上述問題，LMFS流固土耦合力學課題組結合理論分析和物理模型試驗等手段，進一步對單向恒定流和雙向往復潮流作用下樁基局部沖刷發展過程進行研究，揭示了樁基局部沖刷深度隨時間的演變規律，為海上風力機大直徑單樁基礎周圍沖刷深度時變預測提供了理論模型。
樁基局部沖刷時變預測的核心難點，在于如何科學反映沖刷發展過程中擾流流場結構、床面剪應力、泥沙輸移率、沖刷地貌隨時間協同演化的強耦合效應。針對該問題，研究人員從基本的Kolmogorov湍流唯象理論出發，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聯關系(圖1)。進一步基于樁基-海流相互作用的能量原理，并結合泥沙輸移質量守恒方程，建立了具有物理內涵的樁基沖刷深度隨時間演化的微分方程，并求解獲得沖刷時變發展的顯式理論解和無量綱沖刷特征時間尺度的解析表達，理論結果得到了十余篇文獻中近百組實測數據及現場監測結果的驗證。沖刷時變預測理論模型突破了傳統經驗模型的內稟尺度效應，預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展預測。同時，該模型具有良好的擴展性，目前已成功拓展至黏土海床條件下的樁基沖刷時變預測，并正在開展基于物理-數據融合驅動的復雜海洋環境條件下沖刷時變預測研究。
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，系統揭示了雙向往復潮流作用下的樁基局部沖刷特性。單樁基礎局部沖刷的發展受潮流類型、流速和周期等因素的影響，水流方向的周期性變化導致單樁基礎處于不斷的沖刷和回填演變過程。試驗模擬常用的簡化方形潮流在初始階段表現出較高的沖刷發展速度，而接近現場實際的正弦潮流由于特殊的速度變化，其初始時刻的沖刷發展速度為零，直到流速超過特定閾值才開始沖刷；流速的獨特變化過程導致正弦和方形潮流分別呈現出“短平臺”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聯關系，進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行關聯分析，提出了潮流和單向流沖刷深度之間的等效關聯公式。
以上研究得到了國家自然科學基金(11972036; 11825205)和中國科學院青年創新促進會項目(2021018)資助。論文發表于海洋工程領域權威期刊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院力學研究所博士研究生，通訊作者為漆文剛副研究員，論文指導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變模型推導思路
(a)
(b)
(c)
圖2 誤差PDF分布和標準差隨無量綱時間(t/te)的變化，時變預測模型來源于: (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
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