水流對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)波浪爬升影響機(jī)制的數(shù)值模擬研究

于通順，宋昊陽(yáng)，劉梅梅，章譽(yù)天

水流對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)波浪爬升影響機(jī)制的數(shù)值模擬研究

于通順1，宋昊陽(yáng)1，劉梅梅2，章譽(yù)天3

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，青島 266100；2. 中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230；3.重慶市墊江縣水利局，重慶 408300)

復(fù)合筒型基礎(chǔ)(CBF)是一種新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，當(dāng)波浪海流與其大尺寸反弧段作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波浪爬升現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅基礎(chǔ)外平臺(tái)的安全，因此，有必要對(duì)波流作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)的波浪爬升現(xiàn)象開(kāi)展研究．首先，采用RNG-模型建立了波流與復(fù)合筒型基礎(chǔ)相互作用的數(shù)值水槽．其次，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性．最后，探究了波流作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)牟ɡ伺郎?guī)律，揭示了不同流速比cw下水流對(duì)波浪爬升的貢獻(xiàn)．研究發(fā)現(xiàn)：①波浪單獨(dú)作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)前方水體回落到最低點(diǎn)時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向均為斜向下方，而在波流聯(lián)合作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)前端形成漩渦，背面的水質(zhì)點(diǎn)將朝著不同的方向進(jìn)行擴(kuò)散；②波浪單獨(dú)作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水體呈“公雞尾”狀，而波流聯(lián)合作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水體呈“雙髻鯊”狀；③當(dāng)波陡參數(shù)為0.025時(shí)，流速比由0.46增大到0.59時(shí)，波浪爬升高度增大約0.55倍．

復(fù)合筒型基礎(chǔ)；波浪爬升；波流相互作用；數(shù)值模擬

2020年，我國(guó)提出力爭(zhēng)于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和．我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)量達(dá)7.5億千瓦[1]，在“碳中和”的背景下海上風(fēng)電迎來(lái)歷史性的發(fā)展機(jī)遇．海上風(fēng)電基礎(chǔ)處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，波流作用于風(fēng)電基礎(chǔ)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的波浪爬升現(xiàn)象(如圖1所示)，引發(fā)靠船設(shè)備及工作平臺(tái)的沖擊破壞，海上風(fēng)電基礎(chǔ)波浪爬升的研究成為近年來(lái)海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)．

圖1?海上風(fēng)電基礎(chǔ)波浪爬升

復(fù)合筒型基礎(chǔ)[2-5](如圖2所示)作為一種新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，因其抗傾覆能力和對(duì)軟土地基的適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多的關(guān)注．復(fù)合筒型基礎(chǔ)大尺寸的反弧段結(jié)構(gòu)及寬淺式的筒裙為其包括水動(dòng)力特征、承載特性、傳力規(guī)律等工作性能的明確帶來(lái)了挑戰(zhàn)，有學(xué)者對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)承載性能[6]、應(yīng)力響應(yīng)及傳力特性[7]、地基沖刷[8-9]等方面開(kāi)展了大量研究，然而不同波流環(huán)境下復(fù)合筒型基礎(chǔ)波浪爬升特征尚缺乏系統(tǒng)性分析，這也在一定程度上影響了復(fù)合筒型基礎(chǔ)適用水深的確定，增加了靠船設(shè)備及平臺(tái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，限制了其大規(guī)模推廣．因此，研究復(fù)雜波流環(huán)境中復(fù)合筒型基礎(chǔ)的波浪爬升特性很有必要．

圖2?海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)

關(guān)于波流作用下海上風(fēng)電基礎(chǔ)波浪爬升的研究已經(jīng)展開(kāi)，這些研究的對(duì)象主要集中于單樁基礎(chǔ)[10-13]、多樁基礎(chǔ)[14]及重力式基礎(chǔ)[15-16]，針對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)這種新型結(jié)構(gòu)波浪爬升的研究相對(duì)較少．通過(guò)單樁基礎(chǔ)波浪爬升的研究結(jié)果[10-11]，可以對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)上波浪爬升特征有初步的了解，但是考慮到復(fù)合筒型基礎(chǔ)大尺寸反弧段結(jié)構(gòu)這種復(fù)雜的邊界條件，復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)ɡ伺郎^(guò)程中流場(chǎng)特征會(huì)更加復(fù)雜. Yu等[17]基于物理模型試驗(yàn)的方法探究了波浪單獨(dú)作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)呐郎卣?，獲取了不同工況下的最大爬升高度．然而，復(fù)合筒型基礎(chǔ)波浪爬升過(guò)程中的水動(dòng)力機(jī)制尚需深入探究，水流對(duì)波浪爬升影響機(jī)理的研究也需進(jìn)一步開(kāi)展．因此，為深入探討波浪、水流作用過(guò)程中復(fù)合筒型基礎(chǔ)波浪爬升機(jī)制，本文借鑒其他風(fēng)電基礎(chǔ)波浪爬升的數(shù)值模擬研究方?法[13-15]，建立了波流與復(fù)合筒型基礎(chǔ)相互作用的數(shù)值模型，研究了海流對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)爬升特性的影響，闡述了海流和不同的波浪參數(shù)對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)附近波面擾動(dòng)的影響．

1?控制方程及求解方法

本文中涉及的流體為不可壓縮黏性牛頓流體，選用連續(xù)性方程和不可壓縮運(yùn)動(dòng)流體的N-S動(dòng)量方程作為流體運(yùn)動(dòng)的控制方程，其具體表達(dá)式如下：

為了準(zhǔn)確模擬波浪、水流和結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí)流體產(chǎn)生的變形破碎，本文采用重組化RNG-模型，其表達(dá)式如下：

表1?RNG-模型系數(shù)取值

Tab.1?Coefficient value of RNGk-ε model

2?三維數(shù)值波流水槽

2.1?三維數(shù)值波流水槽的建立

建立計(jì)算區(qū)域大小(長(zhǎng)×寬×高)為10.2m×3m× 0.37m的數(shù)值波浪水槽，數(shù)值波浪水槽最左側(cè)是波流邊界(wave-current)，最右側(cè)是出流邊界(outflow)，上、下兩側(cè)邊界條件為對(duì)稱(chēng)邊界(symmetry)，底部邊界為壁面(wall)，頂部邊界為壓力(specified pressure)，如圖3所示．為了減少波浪的反射，在最右側(cè)出流邊界前放置了大小為2m×3m×0.37m的消波塊，左側(cè)的阻尼系數(shù)定為1，右側(cè)的阻尼系數(shù)定為4.2．

2.2?網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格劃分結(jié)果息息相關(guān)，因此，為了更好地分析復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)牟ɡ伺郎?yīng)，需要對(duì)波高部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密，本文選用3種算例，在波高部分加密的網(wǎng)格形式為細(xì)網(wǎng)格、中網(wǎng)格、粗網(wǎng)格，如表2所示．圖3所示水槽內(nèi)先不放置復(fù)合筒型基礎(chǔ)，提取波高()0.06m、周期()1.25s、水深()0.25m的波浪作用下基礎(chǔ)位置處的波面時(shí)程曲線(xiàn)，如圖4所示．比較發(fā)現(xiàn)中等網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相差不大，粗網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與其他兩種相差較大．所以，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度，選用中網(wǎng)格對(duì)波高部分進(jìn)行加密．

圖3?三維數(shù)值波浪水槽

表2?網(wǎng)格數(shù)量和尺寸

Tab.2?Meshnumber and size

圖4?3種網(wǎng)格尺寸的自由面高程歷時(shí)曲線(xiàn)

2.3?三維數(shù)值波流水槽驗(yàn)證

提取中等網(wǎng)格狀態(tài)下波高0.06m、周期1.25s、水深0.25m的入射波浪作用下距離水槽入口邊界5m處波面時(shí)程曲線(xiàn)與理論值進(jìn)行對(duì)比如圖5所示，可以看出計(jì)算值與理論值吻合較好，表明此網(wǎng)格狀態(tài)下水槽準(zhǔn)確性較高．

提取波高0.06m、周期1.4s、水深0.25m時(shí)不同流速下距造波板5m處波高的計(jì)算值與理論值[18]對(duì)比如圖6所示．

圖5?自由波面計(jì)算值與理論值的時(shí)程曲線(xiàn)

圖6?波流作用下波高的計(jì)算值與理論值的對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值水槽中基礎(chǔ)周?chē)ɡ伺郎臏?zhǔn)確性，將復(fù)合筒型基礎(chǔ)模型放置于距離造波板5m處，將波高0.06m、周期1.4s、水深0.25m的波浪與3種流速(0.12m/s、0.16m/s、0.20m/s)的水流共同作用下基礎(chǔ)最大波浪爬升高度與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]對(duì)比，如圖7所示．可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值的波浪爬升高度誤差在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明此數(shù)值水槽能夠較好地模擬復(fù)合筒型基礎(chǔ)上的波浪爬升特征．

圖7 復(fù)合筒型基礎(chǔ)A1處最大波浪爬升高度計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比

2.4?虛擬觀測(cè)點(diǎn)的位置

為了深入研究復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)牟ɡ伺郎匦裕谄渲車(chē)O(shè)置6組浪高儀，相鄰兩組之間的角度為36°，觀測(cè)點(diǎn)的具體布置如圖8所示．浪高儀至復(fù)合筒型基礎(chǔ)中心的水平距離如表3所示．

圖8?沿徑向分布的虛擬浪高儀

表3?虛擬浪高儀的位置

Tab.3?Positions of virtual wave probes

注：為復(fù)合筒型基礎(chǔ)在其相應(yīng)水深下對(duì)應(yīng)的水面交界處筒的半徑，即0.25m水深下＝8.07cm．

2.5?工況設(shè)置

波浪爬升的數(shù)值模擬采用如表4所示工況，分波浪單獨(dú)作用和波流(同向傳播)共同作用兩組．波浪單獨(dú)作用時(shí)選取了兩組波陡(0.025、0.035)，波流共同作用時(shí)選取了2種海流速度(0.12m/s、0.20m/s)，波陡變化范圍為0.025～0.035．

表4?波浪爬升工況

Tab.4?Wave conditions for wave run-up

注：流速比cw＝c/(c＋wm)，wm為波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)流速幅值，c為水流流速；cw＝0代表單獨(dú)波浪情況，cw＝1代表單獨(dú)水流情況．

3?結(jié)果與討論

3.1?波流作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)鲌?chǎng)特性

3.1.1?基礎(chǔ)周?chē)|(zhì)點(diǎn)速度分布

波浪單獨(dú)作用及波流共同作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)Q向剖面流場(chǎng)分布如圖9、圖10所示．從圖9中可以看出：①由于復(fù)合筒型基礎(chǔ)的阻礙作用，水體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能從而迅速向上爬升；②當(dāng)其前端波浪爬升至最高點(diǎn)時(shí)，峰值附近的水體速度接近于零(區(qū)域Q)，雖然仍有少量質(zhì)點(diǎn)的向上爬升，但大部分水質(zhì)點(diǎn)的矢量方向?yàn)樾毕蛳?，說(shuō)明水體正在回落，這與單鐵兵等[11]針對(duì)立柱所得到的規(guī)律一致．

（a）Ucw=0(工況2) ?（b）Ucw=0.54(工況7)

從圖10可以看出：①波流共同作用下，當(dāng)前端波浪回落到較低位置時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)前端流體質(zhì)點(diǎn)緊靠反弧段產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的漩渦(如區(qū)域S1)，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于入射波浪遇到復(fù)合筒型基礎(chǔ)反射后的水質(zhì)點(diǎn)、沿復(fù)合筒型基礎(chǔ)兩側(cè)回流的水體，這兩種水體的水質(zhì)點(diǎn)矢量方向不同，發(fā)生碰撞，再加上海流的作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線(xiàn)性作用．而僅有波浪作用時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)比較規(guī)律，都斜向左下方運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的漩渦現(xiàn)象；②當(dāng)復(fù)合筒型基礎(chǔ)前端波浪回落到最低點(diǎn)時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水位上升，在波流共同作用下，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背面產(chǎn)生漩渦，圖(b)中的漩渦靠近壁面，水質(zhì)點(diǎn)沿著不同方向迅速擴(kuò)散，如圖(b)中S2區(qū)域所示，而在圖(a)中水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)比較規(guī)律，矢量方向都為斜向右下方．因此可以看出，海流的存在將在一定程度上增加復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)娴臄_動(dòng)．

3.1.2?基礎(chǔ)周?chē)鲌?chǎng)分布

取初始時(shí)刻0＝40s、周期＝1.4s．波流共同作用及波浪單獨(dú)作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)鲌?chǎng)分布如圖11所示．從波流共同作用時(shí)復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)牧鲌?chǎng)分布可以看出：在0＋/5時(shí)，(見(jiàn)圖(a)、(b))波峰到達(dá)復(fù)合筒型基礎(chǔ)前沿，使復(fù)合筒型基礎(chǔ)兩側(cè)出現(xiàn)正向傳播的邊緣波，并且對(duì)稱(chēng)分布．當(dāng)波峰穿過(guò)復(fù)合筒型基礎(chǔ)時(shí)，由于基礎(chǔ)的阻礙作用，復(fù)合筒型基礎(chǔ)前方水體壅高，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為爬升勢(shì)能，前方的自由表面以對(duì)稱(chēng)形狀向外擾動(dòng)和輻射；0＋2/5(見(jiàn)圖(c)、(d))時(shí)波浪沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)壁面繞射，兩股波浪沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)的兩側(cè)向后面?zhèn)鞑?，在?fù)合筒型基礎(chǔ)背面進(jìn)行疊加，波面迅速放大；0＋3/5和0＋4/5(見(jiàn)圖(e)～(h))時(shí)，當(dāng)復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面波速接近于零時(shí)，水體開(kāi)始回落，波浪沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)兩側(cè)進(jìn)行回流，這時(shí)，由于基礎(chǔ)前端水體的速度比較大，并且水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向相反，波浪會(huì)向著復(fù)合筒型基礎(chǔ)迎浪面迅速移動(dòng)，形成邊波；0＋(見(jiàn)圖(i)、(j))時(shí)，接近入射波谷到達(dá)的相位，擾動(dòng)被掃離基礎(chǔ)以產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱(chēng)但非同心的波面，與Sun等[19]在數(shù)值水槽中所觀察到的Type-2散射波場(chǎng)類(lèi)似．反方向流的邊波將與入射波浪或海流相互作用引起波面的非線(xiàn)性擾動(dòng)和大變形，并且波形不斷向遠(yuǎn)方傳播；最后，由于水體能量的不斷耗散，水質(zhì)點(diǎn)的速度也會(huì)不斷減小，波面擾動(dòng)效應(yīng)的影響逐漸變?。ɡ藛为?dú)作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)牧鲌?chǎng)分布，與波流聯(lián)合作用時(shí)的情況進(jìn)行比較得出：①兩者水體回蕩過(guò)程相似，比較(c)、(d)圖可以看出，波浪單獨(dú)作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水體呈“公雞尾”狀，而波流聯(lián)合作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水體呈“雙髻鯊”狀；②復(fù)合筒型基礎(chǔ)背面的水體回落，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向相反，波浪會(huì)向著復(fù)合筒型基礎(chǔ)迎浪面迅速移動(dòng)，將會(huì)形成邊波，波浪單獨(dú)作用時(shí)，水體自由表面分布比較光滑和均勻，水體沒(méi)有出現(xiàn)較大的變形，波流聯(lián)合作用時(shí)的波面速度變化大，擾動(dòng)劇烈，擾動(dòng)范圍約為2，說(shuō)明海流在一定程度上增加波面的非線(xiàn)性特征．

圖10 波浪回落到最低點(diǎn)時(shí)復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)Q向剖面流場(chǎng)分布

3.2?水流對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)波浪爬升高度的影響

本文中對(duì)波浪爬升值Ru用入射波幅/2進(jìn)行了無(wú)量綱化處理．圖12為波浪沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)反弧段在0°、36°、72°、108°、144°和180°時(shí)的爬升分布規(guī)律．從圖中可以看出：①波浪爬升倍數(shù)Ru/(/2)的最大值都出現(xiàn)在復(fù)合筒型基礎(chǔ)迎浪面正中心即0°附近，并且在同一速度條件下，隨著波陡增大，爬升倍數(shù)也相應(yīng)增大．波浪沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)兩側(cè)傳播過(guò)程中爬升倍數(shù)逐漸降低，但在背浪面108°附近又開(kāi)始增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是波浪遇到復(fù)合筒型基礎(chǔ)阻擋后，會(huì)有兩股波浪沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)側(cè)面繼續(xù)傳播，在復(fù)合筒型基礎(chǔ)背面進(jìn)行疊加，使得波面較高；②波浪爬升倍數(shù)的最小值約在108°處，隨著水流流速的增大，波浪爬升倍數(shù)的最小值也相應(yīng)增大，這是因?yàn)楹Ａ骱筒ɡ说南嗷プ饔眉哟罅怂w的能量，從而使得轉(zhuǎn)化的勢(shì)能更大導(dǎo)致了爬升倍數(shù)增大．這與Lin等[16]得出單樁支撐結(jié)構(gòu)的最大爬升高度出現(xiàn)在0°的位置，而相對(duì)最小的爬升高度分別位于112.5°附近基本一致；③波流聯(lián)合作用時(shí)，144°到180°附近的爬升倍數(shù)變化較為平緩，而波浪單獨(dú)作用時(shí)，爬升值變化幅度較大，與圖11(c)、(d)相對(duì)應(yīng)；④復(fù)合筒型基礎(chǔ)迎浪側(cè)的相對(duì)爬升倍數(shù)隨波陡增大而增大，而在復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪一側(cè)，對(duì)于更高的波陡相對(duì)爬升倍數(shù)更小．這與Lin等[15]所得到的規(guī)律：高波陡情況下爬升厚度比低波陡要薄，較薄波舌的能量傳遞對(duì)前側(cè)爬升高度增加的貢獻(xiàn)很大，但會(huì)導(dǎo)致后側(cè)的上升高度降低基本一致．

圖12 不同波流組合下復(fù)合筒型基礎(chǔ)反弧段不同周向上波浪爬升的分布規(guī)律

圖13～16分別給出了A1、C1、E1、F1處波浪爬升時(shí)程和相應(yīng)的頻譜圖．當(dāng)波浪和水流沿著復(fù)合筒型基礎(chǔ)繞射時(shí)將會(huì)出現(xiàn)以下特征：①對(duì)比圖13～16可以看出，隨著流速比的增大，波浪爬升高度也相應(yīng)增加，功率譜也相應(yīng)增大，波浪爬升在復(fù)合筒型基礎(chǔ)迎浪面正中央(浪高儀A1)處達(dá)到最大，此后，由于水體黏性和復(fù)合筒型基礎(chǔ)的阻礙作用，導(dǎo)致波能不斷耗散，波幅呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)(浪高儀C1至E1的變化)繼而因?yàn)閮蓚?cè)邊波在復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面(浪高儀F1處)疊加導(dǎo)致波浪爬升迅速放大；②對(duì)比波浪單獨(dú)作用和波流共同作用時(shí)，隨著流速比的增大，波浪爬升時(shí)程曲線(xiàn)的波峰形狀逐漸變尖瘦，從相應(yīng)的頻譜分析中可以發(fā)現(xiàn)，流速比越大，所占的非線(xiàn)性成分越多；③浪高儀C1、E1處波面時(shí)程曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)了對(duì)波浪爬升高度的顯著高階貢獻(xiàn)，出現(xiàn)二次波峰(如圖14、15所示)，并且隨著流速比增大二次波峰的幅值也相應(yīng)增大，與圖11中的(g)、(i)出現(xiàn)的邊波和波面的變形相對(duì)應(yīng)．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，可以在 Swan和Sheikh[20]所做的物理試驗(yàn)中找到一些解釋?zhuān)渲胁ㄉ⑸涞钠鹪磁c圍繞基礎(chǔ)的流體循環(huán)有關(guān)，并且波流共同作用下，二次波峰的出現(xiàn)要早于波浪單獨(dú)作用．

圖13 浪高儀A1處波浪爬升時(shí)程和相應(yīng)的頻譜圖

圖14?浪高儀C1處波浪爬升時(shí)程和相應(yīng)的頻譜圖

圖15?浪高儀E1處波浪爬升時(shí)程和相應(yīng)的頻譜圖

圖17為不同波流組合下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周?chē)鼽c(diǎn)的爬升分布．其中，為浪高儀至復(fù)合筒中心的水平距離，m；為復(fù)合筒型基礎(chǔ)在其相應(yīng)水深下對(duì)應(yīng)的水面交界處筒的半徑，0.25m水深下＝8.07cm．從圖中可以得出：①在0°和36°(即A組和B組)方向上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波浪爬升值隨著與基礎(chǔ)距離的增大而減小，在D組方向上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波浪爬升值反而隨著與基礎(chǔ)距離的增大而增大，這種現(xiàn)象可以用伯努利方程來(lái)解釋?zhuān)拷A(chǔ)的水質(zhì)點(diǎn)速度較大，通過(guò)自由液面的伯努利方程可知波面高程隨著與基礎(chǔ)距離的增大而增大．C組、E組和F組方向上波浪爬升值隨著與復(fù)合筒型基礎(chǔ)距離的增大變化不明顯．②流速比增大0.28倍，波浪爬升高度增大約0.55倍，這表明增大海流的速度會(huì)引起爬升高度的顯著增加．

圖16?浪高儀F1處波浪爬升時(shí)程和相應(yīng)的頻譜圖

圖17?H/L＝0.025時(shí)不同波流組合下各個(gè)浪高儀組的波浪爬升分布

4?結(jié)論

(1) 當(dāng)復(fù)合筒型基礎(chǔ)前端波浪回落到波谷位置，波流共同作用時(shí)，其前端流體質(zhì)點(diǎn)朝著多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，較為紊亂，產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的漩渦；背面水質(zhì)點(diǎn)沿著不同方向傳播，迅速擴(kuò)散，僅有波浪作用時(shí)水質(zhì)點(diǎn)的方向比較一致．

(2) 波浪單獨(dú)作用和波流聯(lián)合作用時(shí)，水體回蕩過(guò)程相似，波浪單獨(dú)作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水體呈“公雞尾”狀，而波流聯(lián)合作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)背浪面水體呈“雙髻鯊”狀；波浪爬升的最大值都出現(xiàn)在復(fù)合筒型基礎(chǔ)迎浪面正中心即0°(A1)附近，波浪爬升的最小值約在108°(D1)．

(3) 對(duì)比波浪單獨(dú)作用和波流共同作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著流速比的增大，波浪爬升時(shí)程曲線(xiàn)的波峰形狀逐漸變尖瘦，從相應(yīng)的頻譜分析中可以發(fā)現(xiàn)，隨著流速比的增大，非線(xiàn)性成分所占的比例也隨之增大．

(4) 復(fù)合筒型基礎(chǔ)在A組(0°)和B組(36°)時(shí)的波浪爬升隨著與復(fù)合筒型基礎(chǔ)距離的變化與在D組(108°)時(shí)的波浪爬升變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出相反的規(guī)律．而在C組(72°)、E組(144°)和F組(180°)的爬升情況隨著與復(fù)合筒型基礎(chǔ)距離的增大變化并不明顯．流速比由0.46增大到0.59時(shí)，波浪爬升高度增大約0.55倍．

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Numerical Simulation of the Effect of Current on Wave Run-Up Around Composite Bucket Foundation

Yu Tongshun1，Song Haoyang1，Liu Meimei2，Zhang Yutian3

(1. College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2. CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510230，China；3. Dianjiang CountyWater Conservancy Bureau of Chongqing City，Chongqing 408300，China)

Composite bucket foundation(CBF)is a new type of offshore wind turbine foundation. When wave and current interact with its large-scale arc transition structure，complex wave run-up occurs，which heavily affects the safety of the platforms. Thus，it is necessary to study the wave run-up effect on CBF. First，a numerical wave-current tank was established using the RNG-model. Secondly，the accuracy of the numerical model was verified based on the experimental data. Finally，the law of the wave run-up around the CBF under the action of wave and current was explored，and the contribution of current to wave run-up under different velocity ratioscwwas revealed. The results show that：①Under the action of wave alone，when the water in front of the CBF falls back to the lowest point，the motion trajectory of the water particles is relatively regular，and the vector directions are inclined downward. However，under the combined action of wave and current，a vortex is formed at the front end of the CBF，and the water particles on the back will diffuse in different directions. ②When the wave acts alone，the water on the back of the CBF is a“cock tail”shape，while when the wave and current act together，the water on the back of the CBF is a “hammerhead shark”shape. ③When the wave steepness parameter is 0.025 and the velocity ratio increases from 0.46 to 0.59，the wave run-up height increases about 0.55 times.

composite bucket foundation(CBF)；wave run-up；wave-current interaction；numerical simulation

10.11784/tdxbz202110024

TV92

A

0493-2137(2022)12-1309-09

2021-10-26；

2021-12-09.

于通順（1986—??），男，博士，副教授.

于通順，tshyu707@ouc.edu.cn.

泰山學(xué)者工程專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(ts20190914)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52071304，51509230)；山東省重點(diǎn)科研開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2019GHY112044).

Supported by the Special Funds for the Taishan Scholars Project(No.ts20190914)，the National Natural Science Foundation of China (No.52071304，No.51509230)，the Key Research and Development Program of Shandong Province(No.2019GHY112044).

(責(zé)任編輯：樊素英)