一种ISPH结合修正的k-ε湍流模型模拟海上风机基础周围泥沙侵蚀的方法

本发明属于海上风机基础周围局部冲刷，尤其涉及一种isph结合修正的k-ε湍流模型模拟海上风机基础周围泥沙侵蚀的方法。

背景技术：

1、风能作为一种清洁、无污染、可再生的能源，受到国际社会的广泛关注和大力推广。而海上风能因其稳定性、发电量、环境影响性、电网接入便利性等方面均优于陆上风能发电，日益得到广泛重视和应用。全球风能理事会发布的《2023年全球海上风电报告》中显示，截止2022年底，全球海上风电装机量累计达到6430万千瓦，其中欧洲海上风电装机量为3000万千瓦，2022年全球新增海上风电装机量达880万千瓦，持续引领全球海上风电市场的增长。截至2023年6月30日，中国海上风电装机规模已连续多年保持全球领先地位，并在2022年实现了超过500万千瓦的新增装机容量，这一成绩进一步巩固了中国在全球海上风电市场上的主导地位。尽管海上风机发电市场前景良好，但海上风电仍然面临着诸多问题和挑战。其中最为重要的就是缺乏较为成熟的风机基础技术，而风机基础又是海上风电机组的重要组成部分。根据水深、荷载等不同因素，已经出现了多种海上风机基础形式，例如大直径单桩基础、重力式结构基础、三脚架基础、导管架基础和吸力桶基础等。而应用最为广泛的为大直径单桩基础形式，欧洲目前超过81.5％的海上风机基础形式为单桩基础，并且单桩基础更是被海上风电开发行业中应用最广泛的dnv规范推荐为近海风机在30m以下水深中的最优基础形式，我国风电机组大部分位于近海浅水区域，更适合使用单桩基础。

2、在海洋环境中，风机单桩基础可以近似认为桩柱结构物。而桩柱结构物的存在会改变原有的流场特性，尤其是在结构物周围区域，可能会形成强烈的涡旋效应和流体动力扰动，这些因素会加剧局部海域的冲刷现象。冲刷坑的加深意味着原本固定在海底的桩柱埋深减少，一方面可能导致桩柱稳定性下降，另一方面也可能使桩柱承受的水平荷载发生变化，比如偏心距增加，这对整个风机的结构安全构成了潜在威胁。近年来，海上风机基础周围局部冲刷问题已经成为海洋工程和海上发电领域面临的一个关键性挑战。对于海上风机而言，其基础的稳定性决定了整个风机的安全。在海洋中，风机会受到风、浪、流等水平荷载的耦合作用，同时在波流作用下，风机单桩基础还会受到局部冲刷，在单桩底部形成冲刷坑，使海底底床无法为风机提供足够的支撑，形成安全隐患，甚至导致风机失稳破坏，造成重大安全事故。因此揭示海上风机单桩基础周围局部冲刷过程和泥沙运动规律成为海洋工程领域的关键性问题，同时研究风机基础周围局部冲刷特性和最大冲刷深度更是成为建设风机的重中之重。

3、为了评估风机基础的安全性，必须准确预报其基础周围的泥沙侵蚀过程和冲刷深度。以往采用的物理模型实验和现场观测很难具体观测到泥沙的侵蚀过程，同时基于网格法的模型在处理如海啸波越流时水体跌落之类的复杂自由表面变形时，由于需要求解方程中的对流项而导致严重的数值耗散。近些年来，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟因其投资成本低、对各种流体和复杂地形适应性强、灵活度大而受到重视，而不可压缩光滑粒子水动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamic，isph)方法在处理复杂自由表面和水沙交界面的问题上具有很强的优势。虽然针对海上风机单桩基础局部冲刷的数值模拟的研究很多，但使用不可压缩光滑粒子水动力学(isph)方法并结合泥沙起动模型及修正的紊流模型来模拟单桩基础局部冲刷的研究却很少。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种模拟海上风机基础周围泥沙侵蚀的方法，基于isph结合泥沙起动模型及修正的k-ε湍流模型的方法，研究单桩基础圆柱三维局部冲刷问题，可很好地模拟出海上风机单桩基础圆柱周围的泥沙侵蚀过程，旨在揭示风机基础周围泥沙侵蚀过程的规律，为风机的安全设计与安装提供安全指导建议。

2、本发明是这样实现的，一种isph结合修正的k-ε湍流模型模拟海上风机基础周围泥沙侵蚀的方法，所述方法是利用isph并结合泥沙起动模型及修正的k-ε湍流模型对海上风机基础周围的流场特征和局部冲刷过程进行模拟，所述方法步骤包括：

3、s1，建立求解流体动力学系综平均质量守恒方程和动量守恒方程(即n-s方程)的isph离散算法，n-s方程表示如下：

4、

5、

6、式中，ρ0为流体密度，t为时间，u为系综平均速度，g是重力加速度，ν0为运动粘性系数，p为压力，为雷诺应力张量；

7、s2，对标准k-ε湍流模型进行修正，计算雷诺应力张量表达式中的湍流涡流粘度νt；

8、s3，引入斜坡上的临界泥沙起动判据，对传统的二维泥沙起动模型进行修正和扩展，建立三维泥沙起动模型；

9、s4，建立海上风机单桩基础冲刷实验水槽物理模型；

10、s5，建立相应的isph数值水槽模型；

11、s6，实验水槽模型和数值水槽模型分别模拟圆柱周围泥沙冲刷过程特征，将数值模拟结果与实验结果相比较，进行验证和分析。

12、进一步的，步骤s2中，在每个粒子i处都定义了湍动能ki和能量耗散率εi，针对海洋中存在的湍流，标准k-ε湍流闭合模型有以下形式：

13、

14、式中，σk＝1.0，σε＝1.3，cε1＝1.44，cε2＝1.92，ρ表示湍动能的生成项，t为时间，对湍流涡流粘度νt进行修正：

15、

16、式中，为修正的耗散率，取λ3＝0.1，其中表示变形率张量，表示系综平均流场的旋转速率张量，下标‘initial’表示势流区域中第一个波浪周期内的时间平均和深度平均值，取p0initial＝1.24s-2，pωinitial＝1.18×10-8s-2，cμ、c1和c2分别为经验常数，在本模型中cμ＝0.09，c1＝1.33，c2＝1.92。

17、进一步的，所述s3对传统的二维泥沙起动模型进行修正和扩展，扩展后的方程为：

18、

19、式中，为斜坡泥沙临界切应力与水平临界切应力的比率，α为s平面与s'平面在yz面上的夹角，β为s平面与s'平面在xz面上的夹角，φ为泥沙休止角，η取0.85，如果底床粒子的计算切应力与通过shields曲线得到的水平泥沙临界切应力的比值，则认为该底床粒子已经达到临界起动状态，将转化为浑水粒子，并参与n-s方程的计算，τbi是泥沙计算切应力：

20、

21、式中，κ为卡曼系数，取0.4，d为粒子的直径，ubi为粒子i的切向流速分量。

22、进一步的，步骤s4中所述的实验水槽模型的总长度为35m，宽为7m，深度为1.6m，并在水槽中央位置设置一个长度为9m的区域作为冲刷实验区，冲刷实验区内预先填充了一层深度为0.60m的实验细砂；实验区域的中心位置，设置了一个圆柱模型，直径0.6m；实验水槽的左侧设置有入流区域，右侧设置有出流区域，以维持水位平衡；实验组次不少于5组，实验水深0.3米，平均流速0.157～0.216m/s。

23、进一步的，步骤s5中，为了提高计算效率并易于重点观察关键区域，数值水槽模型的计算区域设定为长度为5.45m，是圆柱模型直径的9倍，宽度则设定为5m，是圆柱模型直径的8.3倍；数值模型中的粒子直径设为0.02m；模型左侧设置入流区域，并按照实际实验数据施加均匀的流速，模拟上游水源流入的情况；模型右侧设置出流区域，以保持整个模型内的水位相对恒定，沿水流方向的圆柱纵剖面断面，依据不同的水深位置设置一系列数值流速测点，用于在模拟过程中收集对应位置的流速数据。

24、进一步的，步骤s6对圆柱周围流场分布特征进行验证和分析，包括流速分布、涡旋结构和湍流动能分布；然后对圆柱周围泥沙冲刷过程特征进行验证和分析。

25、本发明的有益效果是：

26、(1)与现有技术相比，通过利用isph并结合泥沙起动侵蚀模型及修正的k-ε湍流模型，建立了模拟单向水流作用下海上风机基础周围流场的三维数值水槽，将数值模拟结果与实验结果相比较，验证了流场计算的准确性。

27、(2)数值模型结果与实验数据吻合度高，建立的数值水槽可以有效地模拟出风机单桩基础周围的流场，能够比较准确地反映出风机单桩基础周围的流场分布特征，单桩前方的下降水流、单桩两侧的流线收缩以及单桩后方的尾涡都得到了很好的模拟效果，验证了本发明数值模型的精确度与适用性。

28、(3)基于圆柱周围冲刷的物理模型实验结果，本发明方法可以很好地模拟出海上风机单桩基础周围的泥沙侵蚀过程，可满足实际工程的需要。

29、以下结合附图说明和具体实施方法对本发明做进一步详细阐释。