近壁圆柱体在波流边界层中水动力特性的解耦预测模型研究

研究人员针对海底电缆和管道在波流边界层中水动力力的预测难题，提出了一种创新的解耦模型。该模型通过分离边界层效应与间隙比影响，采用数值模拟和解析方法分别确定水动力系数和特征流速，成功预测了不同KC数、雷诺数和间隙比条件下的拖曳力和升力。相比传统Morison方程，该模型能更准确地反映高KC数下边界层效应，为近海工程结构设计提供了高效可靠的计算工具。

　　

在近海工程领域，海底电缆和管道的稳定性设计一直面临重大挑战。这些结构物通常铺设在靠近海床的位置，承受着复杂的波流联合作用。传统方法采用Morison方程估算水动力载荷，但该方程存在明显局限：无法准确反映高Keulegan-Carpenter数（KC）条件下边界层效应的影响，也难以考虑结构物与海床间隙比（G/D）的变化。随着海上风电产业的快速发展，直径较小（50-200mm）的输电电缆广泛应用，其KC数可达O(1000)量级，使得边界层效应更加显著。此外，岩石海床等特殊地形使得电缆无法埋设，直接暴露在强流环境中，这对水动力载荷预测提出了更高要求。

针对这些问题，挪威斯塔万格大学的Muk Chen Ong和Guang Yin团队在《Applied Ocean Research》发表研究，提出了一种创新的解耦预测模型。该模型的核心创新在于将边界层效应与间隙比影响分离处理：通过无边界层的均匀流数值模拟获取水动力系数，同时采用解析方法确定边界层特征流速，最终通过耦合计算预测实际载荷。这种方法避免了传统方法需要同时解析复杂边界层流动的困难，大幅提高了计算效率。

研究采用了计算流体力学（CFD）数值模拟与理论分析相结合的方法。关键技术包括：1）基于OpenFOAM的二维RANS方程求解，采用k-ω SST湍流模型；2）设计了三层速度剖面模型来描述波流边界层特性；3）建立了包含KC数、雷诺数、间隙比等多参数的水动力系数数据库；4）通过网格收敛性验证和实验数据对比确保模型可靠性。研究对象覆盖KC=40-250、G/D=0.05-0.8的广泛工况，特别关注高粗糙度（k_s/D=0.1）海床条件。

【水动力系数确定】

通过设置无边界层的均匀振荡流场，研究人员系统考察了间隙比对水动力系数的影响。结果显示，拖曳系数C_x随时间呈周期性变化，在波峰相位出现尖锐峰值。特别当G/D<0.2时，峰值强度随间隙减小显著增强，这与近壁效应导致的流速梯度增大有关。升力系数C_y则表现出双峰特征，分别对应涡脱落和流动反转过程。

【特征流速计算】

研究提出创新的速度剖面积分方法：拖曳力计算采用圆柱投影区域（y*±D/2）的垂向积分速度U₁，升力则采用底部到圆柱中心的平均速度U₂。这种处理有效捕捉了边界层速度衰减效应，分析表明当KC>150时，速度衰减可达自由流速度的30-50%。

【模型验证】

与全耦合模型（直接模拟粗糙壁面边界层）对比显示，解耦模型对拖曳力的预测误差普遍<15%，在低KC数和小间隙条件下表现最佳。升力预测在高KC数时存在10-20%过估，主要源于滑移边界条件弱化了近壁涡抑制效应。相平均压力场分析揭示，模型能准确捕捉前驻点高压区，但对后部低压区的强度略有低估。

【流场机理】

涡量场分析发现，当G/D=0.05时，耦合模型中出现独特的壁面射流现象，而在解耦模型中表现为附着流。这种差异导致小间隙下升力预测偏差。相位平均显示，在t/T_w=0.25（波流同向）时，两种模型的尾流结构高度一致；但在t/T_w=0.75（反向）时，解耦模型的涡街发展更为强烈。

这项研究建立了首个针对高KC数近壁圆柱体的水动力解耦预测模型，其重要意义体现在三个方面：首先，模型通过分离处理边界层效应和几何参数，大幅降低了计算复杂度，使工程应用成为可能；其次，研究揭示出高KC数下边界层速度衰减与涡脱落的非线性耦合机制，深化了对近壁水动力现象的认识；最后，提出的三层速度剖面模型为波流边界层理论研究提供了新思路。研究结果已成功应用于挪威海域的海缆设计，相比传统方法，预测精度提高20%以上，为近海可再生能源基础设施的安全设计提供了重要工具。未来工作可进一步扩展至三维振动圆柱体和非均匀海床条件的研究。