关于细长型及大型海上风力涡轮机单桩周围时变波浪冲刷的实验与数值研究

《Marine Structures》：Experimental and numerical investigation of time-dependent wave scour around slender and large offshore wind turbine monopiles

　　瓦希德·阿卜迪|穆斯塔法·多甘|比罗尔·卡亚|阿伊谢古尔·奥兹根克·阿克索伊|尤素夫·亚西尔
土木工程系，多库兹·埃尤卢尔大学主校区，35390 布卡/伊兹密尔，土耳其

**摘要**
在海洋环境中，当波浪沉积在圆柱形桩结构（如码头/栈桥和海上风力涡轮机单桩）周围时，会发生冲刷现象。当冲刷达到一定程度时，可能导致结构失效，包括倒塌，从而产生高昂的修复成本。鉴于海岸和海上结构稳定性的重要性，本研究通过实验和数值模拟方法探讨了在规则波浪作用下半圆柱形桩周围的时间依赖性冲刷现象。本研究旨在建立一种经验公式，用于预测圆柱形桩周围的时间依赖性冲刷深度。数值模拟使用了Flow-3D软件，该软件采用RNG（重新标准化群）湍流模型求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS方程）。在实验研究中，还使用了超声波测量设备来记录时间依赖性冲刷和波浪数据。所有实验均使用非粘性均匀级配沙子进行，包括两种不同的粒径。结果表明，本文提出了一种经验公式，可用于预测细长桩和大型桩周围的时间依赖性冲刷深度。尽管数值分析和实验值之间存在轻微差异，但结果均表明Keulegan-Carpenter数和绕射参数对时间依赖性冲刷有显著影响。

**引言**
桩基础通常用于码头、港口、栈桥等海岸和海洋结构中。由于波浪和水流的作用，可侵蚀的海床上易发生圆柱形桩周围的冲刷现象。海床的持续运动导致沉积物输送，并在桩周围形成冲刷坑。这些结构周围的冲刷坑可能导致结构失效和破坏。
理解桩周围冲刷的机制在海洋工程中是一个重要课题。早期的研究主要集中在波浪诱导的冲刷现象上。例如，Sumer等人[1]研究了波浪作用下单桩周围的冲刷现象，发现冲刷深度随Keulegan-Carpenter（KC）数的增加而增大，并提出了一个经验公式来预测相对平衡冲刷深度（使用中值粒径为0.18 mm的床材料和直径范围为10 mm至200 mm的桩）。Sumer等人[2]通过实验分析了圆形和方形截面桩周围的波浪诱导冲刷，发现平衡冲刷受到Keulegan-Carpenter数和Shields参数的影响。Sumer和Fredsoe[3]通过围绕固定底部的大桩进行流动可视化研究，进一步揭示了流动特性，特别是小Keulegan-Carpenter数下的稳态流动情况。Sumer和Fredsoe[4]进一步研究了大型垂直圆柱体周围的波浪冲刷，发现冲刷深度随Keulegan-Carpenter数和绕射参数（D/L）的增加而增大。最近，Dogan[5]研究了波浪条件下细长桩和大型桩的平衡冲刷深度，提出了新的经验公式并定义了冲刷的名义极限。Larsen和Fuhrman[6]重新分析和改进了预测单桩周围冲刷深度和时间尺度的经验模型，提出了与Shields参数相关的新的参数化方法，将模型扩展到适用于较大桩的情况，这对现代风力涡轮机至关重要。
后续研究进一步扩展了研究范围，考虑了波浪和水流的联合效应，以更真实地再现海洋环境。Sumer和Fredsoe[7]研究了波浪和水流共同作用下单桩周围的冲刷现象，发现冲刷由马蹄形涡旋、桩前方的下流、桩后方的涡流脱落以及侧边缘流线的收缩引起。他们的结果指出，冲刷深度随水流速度的增加而增大。Edie和Herbich[8]研究了由随机波浪和水流共同作用下单圆柱形桩的冲刷现象（桩直径1.5英寸，床材料粒径0.1 mm）。他们的发现表明，水流和波浪的联合效应比单独的水流效应更为显著。Mostafa和Agamy[9]将研究扩展到单个桩和桩群，发现了冲刷坑尺寸与Keulegan-Carpenter数和Froude数之间的直接关系。基于Petersen等人[10]的研究，波浪和水流共同作用下的冲刷时间尺度取决于Shields参数、水流速度与波浪速度的比值以及Keulegan-Carpenter数。Qi和Gao[11]通过实验分析了波浪/水流-桩-土壤相互作用，指出马蹄形涡旋是冲刷过程中最有效的物理现象。Yang等人[12]在波浪和水流作用下的复杂桥墩处进行了实验研究，发现冲刷深度随Keulegan-Carpenter数的增加而增大，并基于Sumer和Fredsoe[7]的研究提出了新的预测方法。这些研究显著推进了人们对波浪和水流联合效应引起的复杂冲刷机制的理解。
尽管已经研究了床材料特性对冲刷的影响，但这些研究相对较少。Sumer等人[13]研究了沙子、中等密度淤泥和密实淤泥中单桩周围的波浪冲刷现象，发现冲刷时间尺度受所用土壤密度（沙子粒径0.147 mm，淤泥粒径0.06 mm）的影响。Dey等人[14]研究了波浪作用下沙土混合物中垂直桩周围的冲刷，发现冲刷的无量纲时间尺度随Keulegan-Carpenter数和淤泥比例的增加而增大。这些少数但重要的研究表明，不同的床材料组成（沙子、淤泥和淤泥混合物）对冲刷过程及其随时间的发展有显著影响。
与实验研究并行，数值建模已成为模拟冲刷现象的重要工具。Baykal等人[15]使用基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的三维数值模型研究了波浪作用下单桩周围的冲刷现象。Quezada等人[16] ebenfalls使用REEF3D程序和RANS方程研究了波浪和水流共同作用下的单桩冲刷现象。然而，这些模型需要强有力的实验验证才能被认为是可靠的[17]。
尽管在该领域进行了大量研究，但文献中仍存在一些空白，阻碍了对冲刷现象的全面理解和预测。具体来说，大多数以往的研究局限于有限的桩径范围、单一类型的床材料或有限的波浪特性。虽然许多研究考察了冲刷随时间的变化直到达到平衡状态（例如，[5,15,18,19]针对波浪；[9,[20], [21], [22]针对波浪和水流的共同作用），但只有少数研究详细探讨了不同实验条件下的时间依赖性过程。不同床材料组合（不仅仅是单一种类的沙子，如[10,11,23]中的沙子和淤泥或沙子和粘土[14]）之间的相互作用也尚未得到充分研究。根据该领域专家的建议，使用多根桩和不同的床材料组合有助于识别关键因素，并了解平衡冲刷水平随时间的变化情况。
与上述大部分研究不同，本研究采用了大量的桩和多种实验条件，从而解决了这些关键问题。本研究使用了九种不同直径的桩（从63 mm到950 mm）、八种不同的波浪特性（周期从1.7 s到5.4 s）以及两种粒径的均匀沙床材料（d50 = 0.55 mm和d50 = 1.85 mm）。与之前的实验研究[5]不同，本研究开发了新的经验公式来预测细长桩和大型桩周围的时间依赖性相对冲刷深度。此外，为了更全面地理解冲刷机制，本研究还创新性地从实验和数值角度探讨了冲刷的时间依赖性演变过程。数值结果通过与实验数据的直接比较得到了验证。

**实验设置和测量**
实验在多库兹·埃尤卢尔大学水力学实验室的波浪槽中进行。实验装置的示意图见图1。波浪槽长33米，宽3.6米，深1.2米。波浪槽的海洋侧安装了一个产生规则波浪的活塞式波浪发生器；岸侧安装了波浪吸收系统以防止波浪反射（见图2）。

**结果与讨论**
首先，利用实验数据得到的时间依赖性冲刷深度，根据Sumer和Fredsoe[26]提出的公式（9）推导出回归关系，以估计时间依赖性冲刷深度：
$$
StD = S_D(1 - e^{-d \cdot ts}
$$
其中$St/D$表示任意时间的相对冲刷深度，$S_D$表示相对平衡冲刷深度。$d$是一个回归常数，$ts$是无量纲时间，可通过以下公式计算：
$$
ts = g(s - 1) \cdot d_{50} \cdot 3D^2 \cdot t
$$

**结论**
本研究通过使用两种不同粒径的沙子（d50 = 0.55 mm和d50 = 1.85 mm），实验探究了细长和大型海上风力涡轮机单桩周围的时间依赖性冲刷现象。共进行了56次独特实验，涉及九种不同的桩径（从63 mm到950 mm）和八种波浪特性（周期从1.7 s到5.4 s）。同时，通过六项不同的实验验证了数值模型的适用性。

**数据可用性**
本文使用的数据来自多库兹·埃尤卢尔大学水力学实验室的一项科学研究项目。

**附录A. 冲刷时间图**
未在论文中提及的38个实验案例的冲刷时间图作为补充数据提供。

**作者贡献声明**
瓦希德·阿卜迪：撰写——原始草案、验证、软件、方法论、研究设计、概念化。
穆斯塔法·多甘：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、数据管理。
比罗尔·卡亚：验证、软件、资源准备、形式分析。
阿伊谢古尔·奥兹根克·阿克索伊：可视化、资源准备、研究实施、资金筹集。
尤素夫·亚西尔：撰写——原始草案、资源准备、研究实施。

**利益冲突声明**
作者声明与本研究无关的利益冲突。

**致谢**
作者感谢土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）通过项目215M245对本研究的支持。