本發(fā)明屬于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍局部沖刷，尤其涉及一種isph結(jié)合修正的k-ε湍流模型模擬海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍泥沙侵蝕的方法。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)能作為一種清潔、無污染、可再生的能源，受到國際社會的廣泛關(guān)注和大力推廣。而海上風(fēng)能因其穩(wěn)定性、發(fā)電量、環(huán)境影響性、電網(wǎng)接入便利性等方面均優(yōu)于陸上風(fēng)能發(fā)電，日益得到廣泛重視和應(yīng)用。全球風(fēng)能理事會發(fā)布的《2023年全球海上風(fēng)電報(bào)告》中顯示，截止2022年底，全球海上風(fēng)電裝機(jī)量累計(jì)達(dá)到6430萬千瓦，其中歐洲海上風(fēng)電裝機(jī)量為3000萬千瓦，2022年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)量達(dá)880萬千瓦，持續(xù)引領(lǐng)全球海上風(fēng)電市場的增長。截至2023年6月30日，中國海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模已連續(xù)多年保持全球領(lǐng)先地位，并在2022年實(shí)現(xiàn)了超過500萬千瓦的新增裝機(jī)容量，這一成績進(jìn)一步鞏固了中國在全球海上風(fēng)電市場上的主導(dǎo)地位。盡管海上風(fēng)機(jī)發(fā)電市場前景良好，但海上風(fēng)電仍然面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。其中最為重要的就是缺乏較為成熟的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)，而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)又是海上風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分。根據(jù)水深、荷載等不同因素，已經(jīng)出現(xiàn)了多種海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，例如大直徑單樁基礎(chǔ)、重力式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和吸力桶基礎(chǔ)等。而應(yīng)用最為廣泛的為大直徑單樁基礎(chǔ)形式，歐洲目前超過81.5％的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式為單樁基礎(chǔ)，并且單樁基礎(chǔ)更是被海上風(fēng)電開發(fā)行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的dnv規(guī)范推薦為近海風(fēng)機(jī)在30m以下水深中的最優(yōu)基礎(chǔ)形式，我國風(fēng)電機(jī)組大部分位于近海淺水區(qū)域，更適合使用單樁基礎(chǔ)。

2、在海洋環(huán)境中，風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)可以近似認(rèn)為樁柱結(jié)構(gòu)物。而樁柱結(jié)構(gòu)物的存在會改變原有的流場特性，尤其是在結(jié)構(gòu)物周圍區(qū)域，可能會形成強(qiáng)烈的渦旋效應(yīng)和流體動力擾動，這些因素會加劇局部海域的沖刷現(xiàn)象。沖刷坑的加深意味著原本固定在海底的樁柱埋深減少，一方面可能導(dǎo)致樁柱穩(wěn)定性下降，另一方面也可能使樁柱承受的水平荷載發(fā)生變化，比如偏心距增加，這對整個(gè)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了潛在威脅。近年來，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍局部沖刷問題已經(jīng)成為海洋工程和海上發(fā)電領(lǐng)域面臨的一個(gè)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。對于海上風(fēng)機(jī)而言，其基礎(chǔ)的穩(wěn)定性決定了整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全。在海洋中，風(fēng)機(jī)會受到風(fēng)、浪、流等水平荷載的耦合作用，同時(shí)在波流作用下，風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)還會受到局部沖刷，在單樁底部形成沖刷坑，使海底底床無法為風(fēng)機(jī)提供足夠的支撐，形成安全隱患，甚至導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失穩(wěn)破壞，造成重大安全事故。因此揭示海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷過程和泥沙運(yùn)動規(guī)律成為海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題，同時(shí)研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍局部沖刷特性和最大沖刷深度更是成為建設(shè)風(fēng)機(jī)的重中之重。

3、為了評估風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安全性，必須準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其基礎(chǔ)周圍的泥沙侵蝕過程和沖刷深度。以往采用的物理模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測很難具體觀測到泥沙的侵蝕過程，同時(shí)基于網(wǎng)格法的模型在處理如海嘯波越流時(shí)水體跌落之類的復(fù)雜自由表面變形時(shí)，由于需要求解方程中的對流項(xiàng)而導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)值耗散。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬因其投資成本低、對各種流體和復(fù)雜地形適應(yīng)性強(qiáng)、靈活度大而受到重視，而不可壓縮光滑粒子水動力學(xué)(incompressible?smoothed?particle?hydrodynamic，isph)方法在處理復(fù)雜自由表面和水沙交界面的問題上具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。雖然針對海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷的數(shù)值模擬的研究很多，但使用不可壓縮光滑粒子水動力學(xué)(isph)方法并結(jié)合泥沙起動模型及修正的紊流模型來模擬單樁基礎(chǔ)局部沖刷的研究卻很少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提出一種模擬海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍泥沙侵蝕的方法，基于isph結(jié)合泥沙起動模型及修正的k-ε湍流模型的方法，研究單樁基礎(chǔ)圓柱三維局部沖刷問題，可很好地模擬出海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)圓柱周圍的泥沙侵蝕過程，旨在揭示風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍泥沙侵蝕過程的規(guī)律，為風(fēng)機(jī)的安全設(shè)計(jì)與安裝提供安全指導(dǎo)建議。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種isph結(jié)合修正的k-ε湍流模型模擬海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍泥沙侵蝕的方法，所述方法是利用isph并結(jié)合泥沙起動模型及修正的k-ε湍流模型對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍的流場特征和局部沖刷過程進(jìn)行模擬，所述方法步驟包括：

3、s1，建立求解流體動力學(xué)系綜平均質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程(即n-s方程)的isph離散算法，n-s方程表示如下：

4、

5、

6、式中，ρ0為流體密度，t為時(shí)間，u為系綜平均速度，g是重力加速度，ν0為運(yùn)動粘性系數(shù)，p為壓力，為雷諾應(yīng)力張量；

7、s2，對標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行修正，計(jì)算雷諾應(yīng)力張量表達(dá)式中的湍流渦流粘度νt；

8、s3，引入斜坡上的臨界泥沙起動判據(jù)，對傳統(tǒng)的二維泥沙起動模型進(jìn)行修正和擴(kuò)展，建立三維泥沙起動模型；

9、s4，建立海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)沖刷實(shí)驗(yàn)水槽物理模型；

10、s5，建立相應(yīng)的isph數(shù)值水槽模型；

11、s6，實(shí)驗(yàn)水槽模型和數(shù)值水槽模型分別模擬圓柱周圍泥沙沖刷過程特征，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

12、進(jìn)一步的，步驟s2中，在每個(gè)粒子i處都定義了湍動能ki和能量耗散率εi，針對海洋中存在的湍流，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流閉合模型有以下形式：

13、

14、式中，σk＝1.0，σε＝1.3，cε1＝1.44，cε2＝1.92，ρ表示湍動能的生成項(xiàng)，t為時(shí)間，對湍流渦流粘度νt進(jìn)行修正：

15、

16、式中，為修正的耗散率，取λ3＝0.1，其中表示變形率張量，表示系綜平均流場的旋轉(zhuǎn)速率張量，下標(biāo)‘initial’表示勢流區(qū)域中第一個(gè)波浪周期內(nèi)的時(shí)間平均和深度平均值，取p0initial＝1.24s-2，pωinitial＝1.18×10-8s-2，cμ、c1和c2分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，在本模型中cμ＝0.09，c1＝1.33，c2＝1.92。

17、進(jìn)一步的，所述s3對傳統(tǒng)的二維泥沙起動模型進(jìn)行修正和擴(kuò)展，擴(kuò)展后的方程為：

18、

19、式中，為斜坡泥沙臨界切應(yīng)力與水平臨界切應(yīng)力的比率，α為s平面與s'平面在yz面上的夾角，β為s平面與s'平面在xz面上的夾角，φ為泥沙休止角，η取0.85，如果底床粒子的計(jì)算切應(yīng)力與通過shields曲線得到的水平泥沙臨界切應(yīng)力的比值，則認(rèn)為該底床粒子已經(jīng)達(dá)到臨界起動狀態(tài)，將轉(zhuǎn)化為渾水粒子，并參與n-s方程的計(jì)算，τbi是泥沙計(jì)算切應(yīng)力：

20、

21、式中，κ為卡曼系數(shù)，取0.4，d為粒子的直徑，ubi為粒子i的切向流速分量。

22、進(jìn)一步的，步驟s4中所述的實(shí)驗(yàn)水槽模型的總長度為35m，寬為7m，深度為1.6m，并在水槽中央位置設(shè)置一個(gè)長度為9m的區(qū)域作為沖刷實(shí)驗(yàn)區(qū)，沖刷實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)預(yù)先填充了一層深度為0.60m的實(shí)驗(yàn)細(xì)砂；實(shí)驗(yàn)區(qū)域的中心位置，設(shè)置了一個(gè)圓柱模型，直徑0.6m；實(shí)驗(yàn)水槽的左側(cè)設(shè)置有入流區(qū)域，右側(cè)設(shè)置有出流區(qū)域，以維持水位平衡；實(shí)驗(yàn)組次不少于5組，實(shí)驗(yàn)水深0.3米，平均流速0.157～0.216m/s。

23、進(jìn)一步的，步驟s5中，為了提高計(jì)算效率并易于重點(diǎn)觀察關(guān)鍵區(qū)域，數(shù)值水槽模型的計(jì)算區(qū)域設(shè)定為長度為5.45m，是圓柱模型直徑的9倍，寬度則設(shè)定為5m，是圓柱模型直徑的8.3倍；數(shù)值模型中的粒子直徑設(shè)為0.02m；模型左側(cè)設(shè)置入流區(qū)域，并按照實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)施加均勻的流速，模擬上游水源流入的情況；模型右側(cè)設(shè)置出流區(qū)域，以保持整個(gè)模型內(nèi)的水位相對恒定，沿水流方向的圓柱縱剖面斷面，依據(jù)不同的水深位置設(shè)置一系列數(shù)值流速測點(diǎn)，用于在模擬過程中收集對應(yīng)位置的流速數(shù)據(jù)。

24、進(jìn)一步的，步驟s6對圓柱周圍流場分布特征進(jìn)行驗(yàn)證和分析，包括流速分布、渦旋結(jié)構(gòu)和湍流動能分布；然后對圓柱周圍泥沙沖刷過程特征進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

25、本發(fā)明的有益效果是：

26、(1)與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過利用isph并結(jié)合泥沙起動侵蝕模型及修正的k-ε湍流模型，建立了模擬單向水流作用下海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍流場的三維數(shù)值水槽，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了流場計(jì)算的準(zhǔn)確性。

27、(2)數(shù)值模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高，建立的數(shù)值水槽可以有效地模擬出風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)周圍的流場，能夠比較準(zhǔn)確地反映出風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)周圍的流場分布特征，單樁前方的下降水流、單樁兩側(cè)的流線收縮以及單樁后方的尾渦都得到了很好的模擬效果，驗(yàn)證了本發(fā)明數(shù)值模型的精確度與適用性。

28、(3)基于圓柱周圍沖刷的物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明方法可以很好地模擬出海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)周圍的泥沙侵蝕過程，可滿足實(shí)際工程的需要。

29、以下結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施方法對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)闡釋。