在稳定水流条件下，对冲刷坑几何形状对桩的影响进行的参数研究

《Ocean Engineering》：Parametric study of scour hole geometry effects on pile under steady current condition

冲刷角度对圆柱桩水动力行为的影响研究表明，15°冲刷角最优，阻力降低64%，涡脱落频率减少63%，陡峭角度（≥25°）导致双峰谱系，中等角度（≤20°）有效抑制涡生成。

　　海洋桩基的水动力行为对其周围的侵蚀空洞几何形状表现出显著的敏感性，这成为影响海上结构稳定性的关键因素。本研究通过使用Shear Stress Transport（SST）k-ω湍流模型，以雷诺数Re=5×10?为条件，系统评估了不同侵蚀空洞角度（10°–40°）对圆柱形桩基的影响，重点分析了阻力系数、升力波动以及涡旋同步机制的变化。比较分析结果显示，当侵蚀空洞角度θ为15°时，平均阻力系数降低了64%，升力系数的均方根（RMS）值最小，同时涡旋脱落频率相比未侵蚀情况减少了63%。相反，陡峭的侵蚀空洞（θ≥25°）则表现出涡旋脱落的双模谱能分布，并伴随着阻力系数的增加；而中等坡度的侵蚀空洞（θ≤20°）则通过抑制桩基与海床界面的涡旋形成，有效控制了流动分离现象。

随着海上风电项目的增加，对不同地理环境和不同形态下海洋桩基的水动力分析需求也显著上升。研究如何减少对海洋桩基有害力的大小，以创造更安全、稳定的风力涡轮机运行环境具有深远的意义。侵蚀现象一直是威胁海上桩基的重要因素，因此许多研究者投入到研究桩基周围局部侵蚀的影响中。基于楔形损伤理论，Roulund等人（2005）在亚临界弗劳德数（Fr<0.2）条件下，通过SST k-ω湍流模型进行了数值模拟，并通过实验测量验证了其有效性，揭示了控制马蹄形和尾涡形成的动力学机制。通过量纲分析，他们发现了边界层发展、雷诺数相关的流动结构和床面粗糙度演变之间的三参数标度关系，从而通过流体-沉积物相互作用模型，提供了对低弗劳德数侵蚀过程的机制性理解。

Zhang等人（2017）采用RNG k-ε湍流模型，研究了单桩和桩群配置下的流动场特征和局部侵蚀模式。通过桩间距的参数分析（0.5D-4D，其中D表示桩的直径），该研究首次建立了桩间距与局部侵蚀深度之间的非线性关系，同时揭示了流动场重构中的动态遮蔽效应。Lin等人（2022）提出了一种侵蚀荷载测试方法，用于研究在实际侵蚀条件下，侵蚀对刚性桩的横向响应影响。该测试方法主要关注侵蚀导致的横向极限承载能力的丧失以及周期性累积变形的增加。Chen等人（2019）和Liu等人（2021）则研究了侵蚀对吸力沉井在水力荷载下的周期性累积变形的影响。Mayall等人（2020）分析了侵蚀对桩基振动特性的影响，发现侵蚀引发的连锁效应降低了桩基的自然频率。

Niu和Yu（2012）研究了圆柱体周围的波浪转化效应，考虑了入射波的条件、范围、深度以及侵蚀坑的几何形状。Liang等人（2018）评估了侵蚀坑几何形状和海洋黏土应力历史对海上桩基横向响应的影响。Antonopoulos等人（2021）研究了更陡峭的上游侵蚀坑角度（例如30°与15°）如何在下游角度不同的情况下，更显著地减少桩基的横向土壤支撑，进一步降低弯曲和倾覆阻力。M Aksel等人（2021）则表明，侵蚀坑的存在显著削弱了桩基后的尾涡，取而代之的是一对明显的、反向旋转的大尺度下游涡旋（LSCSV），主导了桩基后方的流动区域。Li等人（2025）研究了侵蚀坑对称性和侵蚀深度对桩基在规则波作用下的弯矩影响。尽管以往研究已经充分证明，侵蚀坑显著改变了桩基周围的流动场和结构力，但普遍未能系统解析侵蚀坑几何参数对流体载荷的独立贡献。具体而言，本研究旨在填补对侵蚀坑坡度角度如何独立调节涡旋结构和作用在桩基上的阻力理解的空白。通过控制关键变量，研究定量揭示了坡度角度对桩基阻力的独立影响机制，从而为基于风险的精细海洋工程设计提供了更清晰的理论支持。

海上风电桩基通常具有较大的直径，其工作条件下的雷诺数范围为10?至10?。学者们已经对高雷诺数条件下的桩基水动力特性以及桩基力行为进行了系统的调查。Roshko（1961）进行了加压风洞实验，以表征雷诺数范围Re>3×10?下的圆柱体阻力系数变化，识别出具有斯特劳哈尔数0.27的明显涡旋脱落现象。Achenbach（1968）通过加压测试系统研究了雷诺数范围6×10?
分离涡旋模拟（DES）方法在高雷诺数圆柱体流动模拟中已被证明是有效的，特别是在分离区域的三维涡旋结构表征方面（Travin等人，2000）。Li等人（2018）采用改进的延迟DES（IDDES）方法，揭示了单圆柱体和方柱体配置下的阻力危机结构依赖性。尽管DES具有RANS-LES混合方法的优势，但它也存在固有的局限性，包括网格引起的分离敏感性和模型应力耗竭（MSD）问题（Spalart，2009）。SST k-ω湍流模型在处理各向异性流动预测约束时仍保持实际应用价值（Ong等人，2009）。可以发现，标准的SST k-ω模型已经成为海洋工程水动力学领域的公认标准和最广泛采用的选择，特别是在桩基侵蚀研究中，因其在模拟高雷诺数、完全发展的湍流和流动分离方面的鲁棒性、高精度和计算效率而受到青睐。

综上所述，以往的研究对高雷诺数条件下的桩基水动力特性以及海上桩基结构周围的局部侵蚀进行了丰富的探讨。然而，关于侵蚀坑倾斜角度对桩基载荷机制及其相关流动场变化的影响，仍存在研究空白。本研究将采用基于计算流体动力学（CFD）的数值模拟方法，系统解决这些关键问题。通过这种方式，研究不仅能够更全面地理解侵蚀坑角度对桩基受力的影响，还能为海上结构的设计提供更精确的理论依据，从而在实际工程应用中降低风险并提高安全性。此外，本研究还强调了在高雷诺数条件下，对湍流模型选择的重要性，以及如何通过优化模型参数来提高模拟的准确性和效率。这些成果对于推动海洋工程领域的科技进步具有重要意义，同时也为未来的研究提供了新的方向和思路。