在潮流作用下对海上风力涡轮机单桩基础进行详细研究：CFD-DEM耦合方法

《Ocean Engineering》：Scour around offshore wind turbine monopile foundations under tidal flow: CFD-DEM coupled approach

潮汐流耦合颗粒级配的CFD-DEM三维冲刷模型研发及冲刷形态演变规律研究，揭示潮汐往复流场对单桩基础冲刷坑形态演变的调控机制，建立流速主导的冲刷深度预测模型，为近海风电桩基冲刷防护提供理论依据和数值工具。

　　随着全球对绿色能源需求的持续增长，海上风电产业正经历快速扩张。据英国可再生能源协会（RUK）最新数据，目前全球已投入运营的海上风电装机容量达到80.9吉瓦（GW），另有22.7吉瓦的项目正在建设中。尽管欧洲的北海和大西洋海域仍然是主要开发区域，但亚洲地区预计将在不久的将来缩小与欧洲的差距。值得注意的是，中国首次在全球海上风电装机容量中占比超过50%，达到41吉瓦，预计到2030年，中国的累计海上风电装机容量将达到58.8吉瓦。然而，随着海上风电场的运行时间增加，由水动力作用引起的单桩基础周围局部冲刷问题已成为一个关键的工程挑战。单桩作为风力涡轮机的主要支撑结构，会破坏局部水流模式和沉积物平衡，从而导致海底冲刷现象，这不仅影响结构的自然频率，还会降低有效埋深和承载能力，加剧结构变形。因此，准确预测和评估冲刷现象对于海上风电基础设施的设计与安全至关重要。

当前，大多数关于冲刷的研究集中在稳定单向流条件下，实验和数值模拟结果表明，桩径、相对水深和雷诺数以及土壤特性等因素对冲刷过程具有显著影响。然而，在海上风电基础周围的潮汐区域，水流模式通常以双向流动为主，具有周期性变化的速度和方向，导致更复杂的冲刷形态。与单向流相比，预测潮汐流动下的最大冲刷深度变得更加困难。为了更深入地理解潮汐流动条件下的冲刷机制，研究人员已通过物理模型实验、现场观测和数值模拟开展了系统研究。

物理模型实验仍然是研究潮汐冲刷机制的基础方法，多项关键研究揭示了其复杂动态过程。例如，Escarameia（Escarameia & May 1999）发现，冲刷坑在4至5.5个潮汐周期内趋于稳定，并强调了水流反转阶段在加剧冲刷过程中的关键作用。Schendel（Schendel et al., 2018）则观察到，在理想的正弦波流动条件下，冲刷坑在水平面上呈现出椭圆形的汇聚形态。Wang、Qi及其同事（Wang et al., 2024）的研究表明，在方波流动条件下，前两个潮汐周期内的冲刷速率比正弦波流动条件下高约35%。此外，Schendel及其团队（Schendel et al., 2020）探讨了波浪与水流的相互作用，发现当波浪与水流之间的夹角超过30度时，冲刷坑的最深处会偏离桩的下游中心线，形成交错沟槽的形态。同时，桩的尺寸、结构形式以及桩基础布局也被证明对潮汐冲刷过程具有重要影响。

在物理实验研究的基础上，学者们逐渐转向现场观测，推动了集成观测系统的开发，该系统结合了水流测量、地形测绘和荷载监测。多种测量技术，包括多波束声呐（Shi et al., 2024; Zhang et al., 2023; Zheng et al., 2023）、声学多普勒流速剖面仪（ADCP）（Bailey et al., 2024; Shi et al., 2024）以及分布式光纤传感器（Barhemat et al., 2025）已被用于监测和分析冲刷深度的演变及其影响因素，为工程预测提供了修正参数。然而，现场观测仍然面临环境复杂性和测量精度固有局限性的挑战，这些限制阻碍了对颗粒尺度动态响应的准确捕捉，并且需要大量时间进行全面数据采集。

随着数值模拟技术的不断进步，计算流体力学（CFD）已成为冲刷研究的主流工具。大多数现有的模拟采用欧拉双流体模型，将纳维-斯托克斯方程与沉积物输运公式相结合，以估算冲刷深度。例如，Vasquez和Walsh首次将Flow-3D应用于研究潮汐往复流动下的冲刷现象，展示了其在工程中的应用潜力，但其效果受到网格分辨率限制和高计算成本的影响。为了提高预测精度，研究人员引入了耗散项和动量交换机制（Liu et al., 2024），整合了浸入边界方法和先进的湍流模型（Tang and Zhao, 2020），并开发了适用于实际工程应用的增强框架，如桩冲刷模拟（Cao et al., 2024; Huang et al., 2021; Qin et al., 2024）。然而，这些连续模型本质上忽略了沉积物颗粒的离散特性，限制了其在准确表示颗粒与流体间动能交换方面的能力，而这种动能交换对于理解颗粒尺度机制至关重要。因此，学者们开始探索更真实的建模方法，以弥合宏观输运现象与微观颗粒行为之间的差距。例如，Ota等人（2022）提出了一种基于非线性常微分方程的模型，首次同时考虑了非稳态沉积物流入和颗粒分级排序。与此同时，基于欧拉-拉格朗日框架的CFD-DEM方法因其能够明确追踪颗粒的受力和运动轨迹而受到广泛关注。这种方法将固体相视为离散颗粒，纳入颗粒与流体之间的相互作用，并通过拉格朗日颗粒追踪揭示沉积物迁移的介观动态过程，从而在捕捉微尺度行为方面相较于传统连续模型具有明显优势（Li and Tao, 2018）。目前，CFD-DEM方法已被广泛应用于气固和液固系统的模拟，包括对流化床（Liu et al., 2013）、锥形沙堆积（Zhao and Shan, 2013）以及渗流引起的冲刷（Xiao and Wang, 2020）的研究，这为将其扩展到局部冲刷研究奠定了坚实基础。

尽管CFD-DEM模型在海洋冲刷研究中已被越来越多地应用（Liu et al., 2022; N. Zhang et al., 2024），但大多数现有研究仍局限于稳定流动条件，限制了对完整潮汐周期（包括加速、减速和水流反转）的再现。为了解决这一问题，本研究开发了一种三维潮汐流动与分级沉积物相互作用的模型，即颗粒床由不同大小的颗粒组成。具体而言，该模型是在双向耦合的Fluent-EDEM框架中构建的，并通过用户自定义函数（UDF）施加潮汐波形速度。通过这一设计，模拟能够真实再现潮汐环境中的时间流变化和水流反转特征。在欧拉-拉格朗日框架下，该模型能够明确追踪颗粒尺度下的冲刷坑形成与发展过程，相较于传统模型，提供了更高的分辨率和准确性，以揭示微尺度沉积物输运机制。本研究准确再现了潮汐水动力学和颗粒尺度响应，并基于这些结果，对冲刷演变和极端坑深度进行了曲线拟合和规律分析。通过这种方式，本研究开发了一种以流速为主导的冲刷深度研究策略，确保了理论的可靠性和工程的实用性。最终，本研究提供了一种可靠且可操作的数值工具，用于预防和缓解海上风电基础周围的冲刷现象，并为制定有效的防护策略提供了有价值的指导。

在CFD-DEM方法中，流体被作为连续相处理，由纳维-斯托克斯方程描述，这些方程在求解后可以得到流速的时空分布，从而表征流体的流动状态。流体的控制方程通常包括动量方程、连续性方程、能量方程和状态方程，共同描述了流体相的基本物理行为。同时，考虑到潮汐流动的周期性和双向性，本研究在几何建模方面进行了相应调整。根据之前未设置防护结构的研究（Wang, 2023; N. Zhang et al., 2024），上游区域被扩展至足够长度，以确保流场的充分发展，并减少边界效应的影响。因此，流体域被设定为3.6米×2.0米×0.5米（长×宽×高），而沉积物床区域则被定义为0.8米×0.8米×0.1米。桩模型的直径也根据研究需求进行了详细设定。

为了揭示在周期性潮汐流动条件下床面地形的时空演变，并阐明在不同流速下冲刷坑的主导机制和演变模式，本研究首先分析了冲刷坑的形态。图9展示了在六种不同无量纲峰值流速（从0.819到1.378）下冲刷坑形态随时间的发展情况（从0.5T到4T）。每个子图包含在同一坐标系下的两张图像，分别代表不同阶段的冲刷坑形态。通过对这些图像的对比分析，可以观察到冲刷坑在不同流速条件下的演变趋势。例如，在较低流速条件下，冲刷坑可能呈现出较为简单的形态，如浅洼地，而随着流速的增加，冲刷坑逐渐发展为环状结构。这种形态的转变不仅反映了水流对沉积物的侵蚀作用，也揭示了冲刷坑在不同流速下的演变规律。

此外，本研究还探讨了水流反转在冲刷坑稳定过程中的关键作用。在潮汐流动中，水流方向和速度的周期性变化使得冲刷坑的形成和发展呈现出动态特征。例如，在水流加速阶段，冲刷坑可能迅速扩大，而在水流减速和反转阶段，冲刷坑则可能经历回填过程，从而形成相对稳定的形态。这种动态过程表明，冲刷坑的形态不仅受到瞬时流速的影响，还受到水流周期性变化的调控。因此，研究中特别关注了冲刷坑在不同流速下的演变规律，并结合实验数据和数值模拟结果，对冲刷坑的形成机制进行了深入分析。

在研究中，还提出了一个新的模型，用于将冲刷深度与流速联系起来，以估算冲刷的演变过程和最大坑深度。这一模型强调了潮汐回填在多个流周期中的稳定作用，为工程预测提供了新的理论依据。通过这一模型，研究人员可以更准确地预测冲刷深度的变化趋势，并评估不同流速条件下的冲刷风险。这种基于流速的预测方法不仅提高了工程的实用性，还减少了对经验参数调整和复杂边界条件的依赖，从而增强了模型的通用性和准确性。

在实际工程应用中，准确预测冲刷深度对于海上风电基础的稳定性和安全性至关重要。传统的工程方法通常依赖于经验参数和复杂边界条件，这些参数在不同海域和不同流速条件下可能发生变化，导致预测结果的不确定性。因此，本研究提出的CFD-DEM模型在工程应用中具有显著优势，因为它能够通过数值模拟准确再现冲刷坑的形成和发展过程，从而为工程设计和风险评估提供可靠的数据支持。此外，该模型还能够揭示颗粒尺度下的动态响应，为理解冲刷机制提供了更深入的视角。

本研究还对冲刷坑的形态进行了详细分析，包括其在不同流速条件下的演变趋势。通过对这些形态的观察和分析，可以发现冲刷坑的形成不仅受到水流速度的影响，还受到水流方向、颗粒大小分布以及沉积物类型等因素的共同作用。例如，在较低流速条件下，冲刷坑可能主要由细颗粒组成，而在较高流速条件下，冲刷坑可能由较粗颗粒形成，这表明颗粒大小在冲刷过程中具有重要作用。因此，研究中特别关注了颗粒分级对流场和冲刷坑形态的影响，并结合实验数据和数值模拟结果，对这一影响机制进行了深入探讨。

在实际应用中，CFD-DEM模型不仅能够用于预测冲刷深度，还可以用于评估不同防护措施的有效性。例如，通过模拟不同流速条件下的冲刷坑形态，可以确定哪种防护措施能够最有效地减少冲刷深度。此外，该模型还可以用于优化海上风电基础的设计，例如调整桩的尺寸、形状或布局，以减少冲刷对结构的影响。这些优化措施不仅提高了工程的经济性，还增强了结构的稳定性，从而延长了海上风电基础设施的使用寿命。

本研究还对冲刷坑的演变过程进行了系统分析，包括其在不同流速条件下的变化趋势。通过对这些趋势的观察，可以发现冲刷坑的形成和发展并非线性过程，而是呈现出复杂的动态特征。例如，在初始阶段，冲刷坑可能迅速扩大，而在后续阶段，冲刷坑可能逐渐趋于稳定，甚至出现回填现象。这种动态过程表明，冲刷坑的形态不仅受到瞬时流速的影响，还受到水流周期性变化的调控。因此，研究中特别关注了水流反转在冲刷坑稳定过程中的作用，并结合实验数据和数值模拟结果，对这一作用机制进行了深入探讨。

此外，本研究还对冲刷坑的形态进行了定量分析，包括其在不同流速条件下的变化趋势。通过对这些趋势的观察，可以发现冲刷坑的形态不仅受到水流速度的影响，还受到水流方向、颗粒大小分布以及沉积物类型等因素的共同作用。例如，在较低流速条件下，冲刷坑可能主要由细颗粒组成，而在较高流速条件下，冲刷坑可能由较粗颗粒形成，这表明颗粒大小在冲刷过程中具有重要作用。因此，研究中特别关注了颗粒分级对流场和冲刷坑形态的影响，并结合实验数据和数值模拟结果，对这一影响机制进行了深入探讨。

在实际工程应用中，准确预测冲刷深度对于海上风电基础的稳定性和安全性至关重要。传统的工程方法通常依赖于经验参数和复杂边界条件，这些参数在不同海域和不同流速条件下可能发生变化，导致预测结果的不确定性。因此，本研究提出的CFD-DEM模型在工程应用中具有显著优势，因为它能够通过数值模拟准确再现冲刷坑的形成和发展过程，从而为工程设计和风险评估提供可靠的数据支持。此外，该模型还可以用于评估不同防护措施的有效性，例如调整桩的尺寸、形状或布局，以减少冲刷对结构的影响。这些优化措施不仅提高了工程的经济性，还增强了结构的稳定性，从而延长了海上风电基础设施的使用寿命。

本研究还对冲刷坑的演变过程进行了系统分析，包括其在不同流速条件下的变化趋势。通过对这些趋势的观察，可以发现冲刷坑的形成和发展并非线性过程，而是呈现出复杂的动态特征。例如，在初始阶段，冲刷坑可能迅速扩大，而在后续阶段，冲刷坑可能逐渐趋于稳定，甚至出现回填现象。这种动态过程表明，冲刷坑的形态不仅受到瞬时流速的影响，还受到水流周期性变化的调控。因此，研究中特别关注了水流反转在冲刷坑稳定过程中的作用，并结合实验数据和数值模拟结果，对这一作用机制进行了深入探讨。

本研究还对冲刷坑的形态进行了定量分析，包括其在不同流速条件下的变化趋势。通过对这些趋势的观察，可以发现冲刷坑的形态不仅受到水流速度的影响，还受到水流方向、颗粒大小分布以及沉积物类型等因素的共同作用。例如，在较低流速条件下，冲刷坑可能主要由细颗粒组成，而在较高流速条件下，冲刷坑可能由较粗颗粒形成，这表明颗粒大小在冲刷过程中具有重要作用。因此，研究中特别关注了颗粒分级对流场和冲刷坑形态的影响，并结合实验数据和数值模拟结果，对这一影响机制进行了深入探讨。

在实际工程应用中，准确预测冲刷深度对于海上风电基础的稳定性和安全性至关重要。传统的工程方法通常依赖于经验参数和复杂边界条件，这些参数在不同海域和不同流速条件下可能发生变化，导致预测结果的不确定性。因此，本研究提出的CFD-DEM模型在工程应用中具有显著优势，因为它能够通过数值模拟准确再现冲刷坑的形成和发展过程，从而为工程设计和风险评估提供可靠的数据支持。此外，该模型还可以用于评估不同防护措施的有效性，例如调整桩的尺寸、形状或布局，以减少冲刷对结构的影响。这些优化措施不仅提高了工程的经济性，还增强了结构的稳定性，从而延长了海上风电基础设施的使用寿命。

综上所述，本研究开发了一种三维潮汐流动与分级沉积物相互作用的模型，该模型能够准确再现冲刷坑的形成和发展过程，为海上风电基础的冲刷研究提供了新的理论依据和工程工具。通过这一模型，研究人员可以更深入地理解冲刷坑的演变机制，并评估不同流速条件下的冲刷风险。此外，该模型还能够揭示颗粒尺度下的动态响应，为理解冲刷机制提供了更全面的视角。因此，本研究不仅具有重要的理论价值，还具有显著的工程应用意义，为海上风电基础设施的设计优化和风险评估提供了可靠的支持。