01 研究背景

海上風電場能有效提高能源采集率，推動節能減排，卻需要耗費高額成本去建設和維護。海上風電場樁基不僅需要在高咸度的海水中支撐數十年，還要經受水流的沖擊、泥沙的堆積。而制定合適的樁基維護策略可以有效延長樁基使用壽命，降低維護成本。

所以通過模擬海上風電場的海底形態變化，了解海上風電場海岸水動力和形態動力學，為樁基維護策略提供技術支持十分重要。

02 模型建立

本案例將利用水動力仿真軟件的三維水動力學模塊并設置LES湍流模型耦合SISYPHE泥沙輸運模塊，來構建海岸形態動力模型。

傳統的RANS湍流模型無法有效地描述緊靠單樁的湍流的產生和消散以及整個海上風電場大規模尾跡。為了滿足穩定性標準，計算時間步長必須很小，這限制了RANS模型長期模擬的能力。

因此，本研究擬用大渦模擬LES替代RANS湍流模型，并研究其遠場模擬的性能和精度，進而證明水動力仿真軟件具有預測海上風電場樁基周圍的水流和泥沙輸移的能力。

水動力學模型

首先基于過往的實驗數據對三維水動力+ LES的模型進行了驗證。

設置50米長，4米寬的研究區域。假定床層是平的，固定深度為0.54m。直徑為0.53米的圓柱體放置在入口下游13米處。研究區域的三維網格每層的二維單元共282740個，縱向劃分20層。

網格的俯視圖

模型分別驗證了光滑床層和粗糙床層的情況。設置雷諾數為1.7×，水深入口流速 0.326 m/s。實驗表明，該模型可以較好地模擬單樁實驗的流場。

光滑床層的模擬結果與實驗結果對比

然后將該模型用于愛爾蘭東部海域利物浦灣的遠場模擬，該海域有Burbo Bank、North Hoyle和Rhyl Flats三個海上風電場，分別由25、30和25個單樁風機組成。三維網格水平劃分為323830個三角形單元，縱向劃分15個水平層。三角形單元大小從樁基附近的0.4 m到遠場邊界上的5500 m不等。

利物浦灣網格模型

泥沙輸運模型

泥沙輸移采用粒徑為0.23mm的推移質，使用梅耶爾-彼得輸移公式求解輸沙率。

03 模擬結果

基于利物浦港的Burbo Bank風電廠的模型，模擬了為期30天的大小潮流場，并結合SISYPHE模擬了風電場海底7天內的泥沙遷移情況。

BurboBank風電廠樁基的湍流模擬結果

BurboBank風電廠樁基附近泥沙在5天內的侵蝕和堆積情況，揭示了海床在5天內的形態變化

04 研究結論

使用三維水動力在實驗室尺度上模擬了一個圓柱體周圍的流動，對圓柱體繞流的測量結果與實驗數據吻合較好。盡管三維水動力無法達到與CFD求解器相同的精度，但它仍然可以捕捉并表現流體的關鍵特征。隨后，使用三維水動力模擬了利物浦灣的海上風電場的流場和海床形態，結果中可以清楚地看出單個樁基基礎后方的弱流。

05 小結

本案例是將環境仿真技術應用于海上風電場的樁基維護，模擬結果證明水動力仿真軟件有能力預測海上風電場樁基周圍的水流和泥沙輸移。所以，水動力仿真軟件可應用于海床形態變化的模擬，輔助海上風電場運維團隊制定對應的樁基維護策略。

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