海上风电高承台复合桩基础水动力载荷数值模拟

李争霖　胡金鹏

摘    要：海上风电机组高承台复合桩基础为同时存在大中尺度承台和小尺度杆件基桩的复合结构形式，按现有设计规范对此类结构进行波浪水动力载荷计算存在较大误差。为准确计算复合桩基础小尺度杆件所受的波浪载荷，不仅要考虑入射波浪场的作用， 还应考虑临近大中尺度承台结构引起的波浪绕射及反射对小尺度杆件波浪载荷的影响。本文基于VOF法在Fluent中构建波浪对风电复合桩基础作用的三维波浪数值水槽，首先模拟规则波单独冲击下部桩柱的过程，验证模型计算小尺度杆件波浪载荷的有效性;然后通过数值计算得到作用于复合桩基础上的入射波浪力、绕射波浪力以及总力。结果显示，在一定的波浪条件下，绕射场作用在桩基础上的波浪力随着上部承台尺寸的增大而增大。本文还进一步研究了极端波浪对小尺度桩柱波浪载荷的影响，有关的研究结果可为具有复合结构形式的海洋工程基础中的小尺度杆件上极端波浪载荷的准确计算提供一定的参考。

关键词：高承台桩基础;波浪绕射;极端波浪;数值模拟;波浪载荷

中图分类号：P731.22                              文献标识码：A

Abstract： Because of the composite structure of large and medium scale pile cap and small scale bar pile， there is a large error in the wave hydrodynamic load calculation of high-cap composite pile foundation of offshore wind turbine according to the current design code. In order to accurately calculate the wave load on the small-scale members of the composite pile foundation， we should not only consider the effect of the incident wave field， but also consider the influence of wave diffraction and reflection on the wave load of small-scale members caused by the structure near the large and medium scale cap. This paper constructs a three-dimensional wave numerical flume of wave action on the composite pile foundation in Fluent based on VOF method. Firstly， it simulates the process of regular wave impact on lower pile column alone， verifies the validity of the model to calculate the wave load of small scale members， and then obtains the incident wave force， diffraction wave force and total force acting on the composite pile foundation by numerical calculation. The results show that under certain wave conditions， the wave force acting on the pile foundation increases with the increase of the size of the upper cap. In this paper， the effect of extreme wave on wave load of small scale pile column is further studied.

Key words： High-cap composite pile foundation; Wave diffraction; Extreme wave; Numerical simulation ;Wave load

1     引言

海上風电机组高承台群桩基础是东南沿海地区广泛应用的新型风电基础形式。其中，波浪水动力载荷在结构设计中起到了决定性作用。桩基础所受的波浪载荷一般都根据莫里森公式计算[2]，但在极端波浪条件下，承台与波长的比值往往接近甚至超过临界值，此时莫里森公式存在较大的误差;另外，较大的承台结构使得波浪场发生改变，生成影响桩基础的入射波浪场、绕射波浪场，这将大大提高波浪水动力载荷计算的难度[3]。

目前，国内外学者对波浪绕射场的桩柱荷载进行了大量的研究。MacCamy 和Fuchs[4]利用Laplace方程求解大直径直立圆柱的入射波浪力和绕射波浪力;Linton和Evans [5]提出了规则波作用下桩柱绕射波浪力的计算方法;耿宝磊[6]计算了绕射波浪场中小直径圆柱的波浪载荷;姜胜超[7]在线性理论假设下建立了有限水深水下垂直圆柱波浪绕射的解析解。考虑到高承台风电基础的实际应用广泛，其相关水动力问题需要作进一步研究，尤其是受到承台大中尺度结构影响下小直径结构上的波浪力研究，对于工程设计和后期的安全生产具有理论和实际意义。

本文以大承台复合小桩柱的组合结构为研究对象，考虑绕射场带来的影响，研究组合结构桩柱上的波浪荷载。本文基于Fluent软件，以N-S方程作为控制方程，以VOF方法捕捉流体自由表面，采用UDF二次开发功能实现仿物理造波，利用PISO速度耦合方式及附加源项法实现阻尼层消波，减少远方墙壁的反射，从而建立了能够产生稳定线性规则波的三维数值波浪水槽，通过数值计算得到作用到小尺度杆件的波浪力;同时还分析了极端波浪畸形波对绕射作用的影响。本文的研究方法，可以作为高承台群桩复合式海洋工程结构物考虑极端波浪力设计的一个有益的探索性研究。

2     数学模型原理

2.1   数值波浪水槽的基本控制方程

本文所建立的数值波浪水槽中的流体假设为不可压缩粘性流体。

2.2    自由液面处理方法

波浪问题属于具有自由表面的两相流问题，其最大特点是存在随时间不断变化的水-气交界面，所以对自由液面的捕捉是处理波浪问题的关键。FLUENT软件中采用VOF法来追踪流体的自由液面。

VOF法由于具有可以处理自由面重构、容易扩展到三维、计算时间短、占用存储小等优点，成为一种广泛应用的计算自由表面高度的方式。VOF法的核心思想是计算第q相流体体积在单元中的占据情况，即占比函数（F函数）。若q=1，表示整个单元都是q相流体;若aq=0，表示单元内为空;若 0

由于用一般形式的差分法计算流体体积函数有一定困难，因此VOF法常用各单元之间的两相关系表征函数的输运情况：

2.3   造波方法

本文在二维及三维数值波浪水槽中进行模拟造波是根据物理水池里的推板造波方法，将水槽起动侧设置为墙边界，边界的运动通过UDF编程定义，即相当于造波板。运动边界附近网格点信息的动态传递，则通过动态层（Layering）方法，从而实现水槽的波浪启动。运动边界的速度信号需要通过目标波浪的波面方程推导得来。

水力传递函数 Tr是一个多种周期都满足的造波边界附近波浪振幅 a和边界振幅 e 的关系式，对于推板式造波方法，传递函数Tr 的表达式为：

3     数值模型建立

3.1   几何模型

本文的研究主要集中在大尺度结构对小尺度结构波浪力的影响，考虑到三维模型的计算复杂性，为简化起见本文的结构物模型仅考虑了单个基桩，而更为完整的结构物模型将在下一步研究中开展。

参考广东省电力设计研究院目前设计的粤东深水风电场（水深50 m，此水深条件为近海极端波浪多发区域）中海上风电桩基础的设计条件，本文的三维数值波浪水槽模型的几何示意图见图1。水槽设计尺寸为：长度20 m、高度4 m、宽度4 m;水槽水深2m;其余部分为空气，消波区位于水槽末端16～20 m处;复合结构的上部大尺度圆柱的半径为a=0.4 m、圆柱吃水T=1 m、桩柱半径b=0.1m，桩的长度L=1 m，桩处于上部圆柱靠入射波的左侧。最终划分后的网格如图2所示。在ICEM中划分好的结构网格导入Fluent，顶部为压力入口边界，模拟水槽上部与外界大气相连通。

3.2   参数设置

通过UDF的UDEFINE_CG_MOTION编写动边界的运动规律，以及DEFINE_SOURCE控制区域动量实现源项消波，并导入三维数值波浪水槽，水槽左壁面相当于造波板，通过动网格模型实现壁面的运动。采用VOF方法获取自由水面，压力速度项用Piso算法计算，使用动态层方法（Layering）配合网格重构来实现网格的运动，时间间为0.01 s、模拟时长为20 s。

3.3   模型验证

模拟规则波单独冲击下部桩柱的过程来确认模型的可靠性，将数值模拟受力与莫里森公式结果对比分析。初始入射波浪为线性规则波，入射波高设定为0.15m、周期为1.6 s。从图3中可以看出，数值模拟得到的波浪力与莫里森公式结果大致吻合。所以可以初步认定FLUENT在数值模拟波浪与小尺度垂直立柱式结构物相互作用方面具有相当的精度。

4    数值模拟结果分析

4.1  上部承台尺寸对桩基波浪力的影响

当上部圆柱的半径取a的不同倍数，设不同圆柱的半径为R=na，且n分别为n=1、2、3、4，考察不同圆柱半径情况下承台产生的绕射场对下部桩基础波浪荷载的影响。入射波浪特征为波幅A/a=0.75、波数ka=0.8的规则波。图4是上部圆柱半径R不同时，桩所受的入射波浪作用力、绕射波浪作用力以及合力幅值的比较。

从图4可以看出，上部承台结构物半径的增加导致流场的绕射作用越加明显，入射和绕射波浪场影响下的桩基础波浪载荷也逐渐增加，但波浪力增加的幅度随着圆柱半径增加逐渐减缓;同时，由于绕射力的相位与入射力有一定差异，使得合力幅值在大多数时间小于入射波浪力。

4.2   极端波浪对桩基波浪力的影响

畸形波是一种特殊的非线性极端波浪，无论是良好还是恶劣的海况均有出现。海洋畸形波具有能量高度集中和出现随机性的特点，对于海上结构物具有极大的威胁，因此有必要进行相关研究。

在Longuet-Higgins随机波浪模型基础上，刘赞强等[8]提出根据区间调整初始相位的方法，从而实现在特定时间、特定点位生成畸形波;林炅增[9]等改变不同规则波叠加后波面方程的初始相位，使得叠加波浪在预定聚焦点位置和聚焦时刻叠加形成大波。本文采用的波谱为JONWAP谱，有效波高为0.15 m、谱峰周期为1.6 s，按等分频率法将波谱分为100份，波频率区间为 [0.5～3.5]。本文模型所生成的畸形波波面时程曲线图，见图5。

图6为畸形波入射时，承台复合桩基础受到的总力、入射波浪作用力和绕射波浪作用力的对比图。可以看出：入射波浪场影响下的桩基础受力最大值为26N;绕射波浪场影响下的桩基础受力最大值为12N，为入射波浪力的46.2%;入射和绕射波浪场共同影响下的桩基础受力最大值为32 N，是入射波浪场影响下的1.23倍。由此可知，绕射波浪力的大小几乎达到了正常规则波条件下的波浪力大小，说明极端海况下考虑绕射波浪力的必要性。虽然绕射产生的波浪场与入射波浪场的相位有一定差异，但绕射力对合力的贡献为正，总力达到了正常规则波条件下波浪力的3倍，其中入射波浪力与绕射波浪力的相位差异与承台下的桩柱位置和入射波方向有关。

5     结论

本文基于VOF法在Fluent中构建波浪对承台复合桩结构作用的数值波浪环境，模拟了在规则波以及极端波浪畸形波入射，考虑绕射场影响下桩柱所受的波浪荷载情况。对于本文给定的算例，可得出以下结论：（1）承台尺寸的不同改变了波浪场中绕射场的形态，绕射场作用在桩基础上的波浪力随着上部承台尺寸的增大而增大;（2）在畸形波作用下，入射和绕射波浪场共同影响下的桩基础受力最大值，是入射波浪场影响下的1.23倍，绕射波浪力大小幾乎达到了正常规则波条件下的波浪力大小，说明了畸形波影响下绕射作用的影响显著。

参考文献

[1]林毅峰， 陆忠民， 李彬. 海上风电场风机基础结构.

[2] TS 145-2015. 港口与航道水文规范[S].中华人民共和国交通运输部，2015.

[3]林毅峰， 陆忠民， 黄俊， et al. 海上风电机组高承台群桩基础设计特点及关键力学问题[J]. 海洋技术学报， 2016， 35（5）：29-36.

[4]MacCamy R C， Fuchs R A 1954 US Army Coastal Engineering Research Center， 69.

[5]Linton C M， Evans D V 1990 J.Fluid Mech. （215）：549-569.

[6]Geng B L， Teng B， Ning D Z and Gou Y 2009 Journal of Dalian Maritime University. 35（3）：5-8.

[7]Jiang S C， Teng B， and Ning D Z 2010 Ocean Engineering. 28（3）：68-75.

[8]刘赞强， 张宁川， 俞聿修， et al. 改进的相位调制法模拟畸形波：I—理论模型与验证[J]. 水动力学研究与进展A辑， 2010（03）：111-118.

[9]林炅增， 胡金鹏. 畸形波作用下海上风机单桩基础所受波浪力研究[J]. 广东造船， 2019， 38（01）：23-26.