本研究對(duì)三腳架周圍不規(guī)則波浪中的局部沖刷進(jìn)行了數(shù)值研究。建立并驗(yàn)證了以 RNG k 湍流模型為基礎(chǔ)的海床-三腳架-流體數(shù)值模型，分析了流速分布和沖刷特性。建議的計(jì)算模型 FLOW-3D 是分析和預(yù)測(cè)三腳架周圍不規(guī)則波浪中的最大沖刷發(fā)展和流場(chǎng)的有用工具。

必須研究和計(jì)算影響三腳架基礎(chǔ)的沖刷值，因?yàn)檫@種現(xiàn)象直接對(duì)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。較低的對(duì)角支撐和主柱充當(dāng)障礙物，增加了其下方的水流加速度，這增加了移動(dòng)的顆粒數(shù)量，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷。數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂辛己玫囊恢滦裕瑢?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型之間的最大誤差為 10%。此外，基于無量綱分析參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程來預(yù)測(cè)沖刷深度，包括水流深度、中值尺寸比、Keulegan-Carpenter（Kc）、Froude 數(shù)和波速，該研究在不同流速和深度下獲得的結(jié)果表明，最大沖刷深度率取決于波高，隨著流速的增加和粒徑的減小（d50），當(dāng)Vw＜0.75時(shí)，沖刷深度達(dá)到穩(wěn)定值。隨著Froude數(shù)的增加，最大沖刷深度將變大。

數(shù)值模型

為了模擬三腳架基礎(chǔ)周圍的沖刷過程，采用了 CFD 軟件 FLOW-3D 。利用分?jǐn)?shù)面積/體積法（FAVOR），可以處理域的復(fù)雜邊界。

這個(gè)模型使用 Schendel 等人以及 Sumer 和 Freds?e 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，并在不同參數(shù)下執(zhí)行了 200 次運(yùn)算。

模型設(shè)定

圖1 海床-三腳架-流體數(shù)值模型

圖2 模型網(wǎng)格

圖3 模型邊界條件

圖4 網(wǎng)格尺寸影響

圖5 數(shù)值模擬的沖刷深度與 Sumer 和 Freds?e、Schendel 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，呈現(xiàn)出很好的一致性

研究成果與分析

圖6 隨時(shí)間變化的沖刷深度

圖7 三腳架周圍沖刷深度發(fā)展（至穩(wěn)態(tài)）的模擬時(shí)間序列結(jié)果

圖8 三腳架周圍流速分布的隨機(jī)波動(dòng)

圖9 柱徑（D）對(duì)最大沖刷深度（Smax）的主要影響

圖10 相對(duì)最大沖刷深度與KC數(shù)的關(guān)系

結(jié)論

（1）現(xiàn)有的海床-三腳架-流體數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確模擬三腳架周圍的沖刷過程及流場(chǎng)，顯示此模型可用于預(yù)測(cè)隨機(jī)波浪作用下三腳架基礎(chǔ)的沖刷情形。

（2）他們的研究團(tuán)隊(duì)在不同流速和水深下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，最大沖刷深度與波高成正比，且隨著流速增加、顆粒粒徑減小（d50），沖刷作用會(huì)更加明顯。

（3）斜撐與主柱作為阻礙物，增加了其下方水流的加速度。這提高了擾動(dòng)的強(qiáng)度和對(duì)海底的剪切應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致更多的顆粒被動(dòng)員和傳輸，結(jié)果導(dǎo)致該處更嚴(yán)重的沖刷。

（4）Froude 數(shù)與沖刷過程密切相關(guān)。一般而言，隨著 Froude 數(shù)的增加，最大沖刷深度和沖刷范圍也會(huì)增加。最大沖刷深度總是與弗勞德數(shù)最大且間距比最短的情況相一致。

由于相關(guān)實(shí)驗(yàn)或研究較少，因此只能依單樁準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估。為深入了解三腳架周圍的沖刷效應(yīng)，未來將利用數(shù)值模擬研究不同土壤、基礎(chǔ)、施工條件以及實(shí)體模型試驗(yàn)。

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