偏航控制对三概念型漂浮式海上风机动态特性的影响机制研究

本研究针对海上风机单桩基础在波浪与循环荷载耦合作用下周围砂质海床的超静孔隙水压力响应机制，通过波流水槽实验系统分析了动态荷载参数对孔隙压力幅值分布及液化风险的影响，揭示了波浪与水平循环荷载对海床响应的空间差异定量规律，为海上风机基础设计提供重要理论依据。

　　

随着全球可再生能源转型加速，漂浮式海上风力发电因其稳定、环保的特性成为研究热点。然而，这些矗立于汹涌波涛中的"海上巨人"正面临严峻挑战——风机运行时产生的循环荷载与海洋环境中的波浪力共同作用，可能导致周围海床土壤液化，进而威胁整体结构安全。这一现象如同在沙滩上建造高楼，潮汐与人为震动双重作用下，地基可能瞬间"沙化"。尤其令人担忧的是，现有研究多聚焦静态结构下的海床响应，而对实际运行中风机偏航控制引发的动态桩-土相互作用机制仍知之甚少。

中国海洋大学工程流体力学实验室的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，创新性地搭建了1.5米×1.5米钢化玻璃波流水槽实验系统，集成造波系统、三维电动模块和孔隙压力传感网络。通过设计单向循环荷载与波浪耦合作用的实验工况，采用高精度孔隙水压计阵列监测了单桩周围海床的动态响应。研究发现：动态耦合荷载会使超静孔隙水压力幅值梯度(CPAR)提升2-3倍；波浪影响主要集中于海床表层0.3米范围，而循环荷载则主导中上层海床(0.3-0.8米)响应；特别值得注意的是，单向荷载导致的土体非均质性使桩体两侧孔隙压力传递存在30%以上的差异。

【主要技术方法】
研究采用波流耦合实验装置模拟海洋环境，通过电动加载系统施加0.1-0.5Hz水平循环荷载，结合0.08-0.15m波高规则波。在饱和砂质海床中布设16通道孔隙水压监测阵列，运用参数化分析方法建立波浪诱导孔隙压力变化率(WPAR)与循环荷载诱导变化率(CPAR)的量化模型。

【Seabed response around mono-pile under wave and cyclic loading】
实验数据显示，当波浪高度从0.08m增至0.15m时，表层海床WPAR值提升215%，而循环荷载频率0.3Hz时中深层CPAR达到峰值。这种空间响应差异源于波浪主要通过垂向应力波传播，而水平荷载引发土颗粒定向迁移。

【Effect of loading force and wave height】
通过建立无量纲参数分析模型，发现波浪主导区(WPAR/CPAR>1.5)集中在桩周半径1.5D(D为桩径)范围内的表层，而荷载主导区(CPAR/WPAR>2)分布在桩前1D-2D范围的中深部。这种"波浪表层-荷载深层"的分区效应为风机基础设计提供了优化依据。

该研究首次系统揭示了漂浮式风机偏航控制引发的动态桩-土相互作用机制，提出的WPAR/CPAR量化指标可直接应用于风机基础液化风险评估。特别是发现单向荷载导致的非对称孔隙压力分布，对多风机阵列的间距设计具有重要指导价值。正如通讯作者Zhang Hong指出，这项成果为发展"风机-海床"耦合动力分析模型提供了关键实验基准，将推动海上风电工程从"静态设计"向"动态响应优化"的范式转变。未来研究可结合PIV粒子图像测速技术，进一步探究土颗粒迁移与孔隙流体运动的微观耦合机制。