擾流板對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沖刷特性影響研究

摘 要：在單獨恒定流條件下，以某一海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)為研究對象，提出一種擾流板防沖刷結(jié)構(gòu)，建立三維數(shù)值模型?；跀?shù)值模擬，研究擾流板結(jié)構(gòu)對樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷的影響機制，探討擾流板長度[L]和高度[H2]對局部馬蹄渦位置和強度的影響，分析床面剪切應(yīng)力受擾流板幾何的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，擾流板結(jié)構(gòu)能有效地減弱局部馬蹄渦強度和減小樁周海床床面剪切應(yīng)力；局部馬蹄渦受擾流板幾何的影響呈現(xiàn)3種流動機制；當(dāng)[L/H2=1]時，擾流板具有較好的沖刷防護特性?？偟膩碚f，擾流板防沖刷結(jié)構(gòu)對單樁基礎(chǔ)局部沖刷具有較好的防護效果。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；單樁；圓柱繞流；沖刷；馬蹄渦；床面剪應(yīng)力

中圖分類號：O352" " " " " " " "文獻標志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0370

文章編號：0254-0096（2024）08-0448-10

1. 中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；

2. 國家能源海上風(fēng)電工程與運行技術(shù)研發(fā)中心，北京 102209

0 引 言

風(fēng)能作為可有效利用的清潔能源之一，在國內(nèi)外被廣泛開發(fā)利用。中國沿海地區(qū)具有豐富的風(fēng)能資源，為發(fā)展海上風(fēng)電提供了天然的優(yōu)勢。截至2023年底，我國海上風(fēng)電累計裝機容量已達37.58 GW，投運規(guī)模占全球市場50%份額。其中，基礎(chǔ)是海上風(fēng)電的重要組成部分，其穩(wěn)定性是海上風(fēng)機安全平穩(wěn)運行的關(guān)鍵因素之一。中國約65%的海上風(fēng)電場采用單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式［1］。樁基礎(chǔ)作為海洋結(jié)構(gòu)物，其存在會使得樁基周圍原本的海水流動發(fā)生顯著變化，從而打破原本建立的泥沙輸運平衡，導(dǎo)致樁柱周圍海床面發(fā)生沖刷。沖刷坑的存在會對樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、振動頻率和承載特性產(chǎn)生顯著影響［2］。因此，研究樁基礎(chǔ)周圍的沖刷特性及減弱局部沖刷的措施，對保障風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行和減少風(fēng)機運維費用具有重要意義。

樁基礎(chǔ)作為海洋結(jié)構(gòu)物，其周圍的流動類似于圓柱繞流。文獻［3-4］通過研究發(fā)現(xiàn)，由于圓柱體的存在造成了逆壓梯度，進而對上游流速的分布和邊界層分離產(chǎn)生強烈影響。在繞流物體前由于逆壓梯度造成的邊界層分離形成的渦結(jié)構(gòu)因具有馬蹄形狀，故稱為馬蹄渦。關(guān)于馬蹄渦的影響主要有來流雷諾數(shù)、繞流物尺寸、截面形狀、水深等。陳啟剛等［5］對明渠柱體的上游馬蹄渦位置與強度隨來流雷諾數(shù)的變化特性進行研究，發(fā)現(xiàn)在流動為湍流、雷諾數(shù)足夠大時，馬蹄渦位置和渦的尺寸基本不受雷諾數(shù)影響，但馬蹄渦強度會隨著柱體雷諾數(shù)的增加而增強。文獻［6］采用實驗方法分別對圓柱、方柱和菱形柱體的繞流場進行分析［6］，發(fā)現(xiàn)繞流物迎來流面的形狀越尖銳，馬蹄渦的分離點和渦核位置越靠近繞流物，馬蹄渦的尺度和強度越小，且床面剪切應(yīng)力也越小。張楠［7］基于數(shù)值模擬探討不同水深對局部馬蹄渦系的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)不變時，改變水深對局部馬蹄渦位置無明顯影響。

目前，對于沖刷特性的研究成果主要來自橋梁方面。不管是國外還是國內(nèi)，海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)沖刷和防護方面的研究成果較少。因此，要合理、安全地開發(fā)和利用海洋風(fēng)能，就必須明確風(fēng)電場建設(shè)對周圍水動力和地貌自然環(huán)境的影響機制。Whitehouse等［8］和Sumer等［9-11］對單樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷機理進行了系統(tǒng)研究，分析了波流對樁基礎(chǔ)局部沖刷特性的影響；Rolund等［12］通過數(shù)值模擬研究了穩(wěn)定流下樁基周圍的流場特性，分析了邊界層厚度、雷諾數(shù)和床面粗糙度對馬蹄渦的影響，發(fā)現(xiàn)馬蹄渦的大小和床面剪切應(yīng)力隨邊界層厚度和樁徑比的增大而增大。目前，已有樁基礎(chǔ)水動力方面的研究主要針對小直徑樁，而小直徑樁的研究成果是否適用于大直徑單樁，以及大直徑樁基礎(chǔ)的水動力特性還需進一步深入探究。

隨著對沖刷機理的不斷認識，不少學(xué)者提出針對樁基礎(chǔ)沖刷的防護措施。魏凱等［13］提出沖刷護圈，該結(jié)構(gòu)對單向流和潮汐流均有很好的防護效果；梁森棟［14］研究了拋石防護、水平隔板、套筒等9種不同的防護措施，發(fā)現(xiàn)各種防護措施均能減小沖刷深度，但效果相差較大；劉周明等［15］利用數(shù)值方法研究了某新型擾流板結(jié)構(gòu)對單樁基礎(chǔ)沖刷性能的影響，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能有效降低床面剪切應(yīng)力和樁基礎(chǔ)周圍流速；華鑫［16］分別針對翼板防護、拋石防護及MICP防護，研究了不同防護下的沖刷發(fā)展。

本文以海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)作為研究對象，提出一種擾流板結(jié)構(gòu)，建立圓柱和帶擾流板圓柱的數(shù)值模型。首先針對數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算進行介紹，分析網(wǎng)格量對數(shù)值結(jié)果的影響；其次，針對不同擾流板長度和高度的帶擾流板圓柱進行數(shù)值模擬，最終著重分析局部馬蹄渦的強度和位置以及床面剪切應(yīng)力受擾流板幾何的影響規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

對于本算例而言，流動過程不涉及傳熱和溫度變化，所以控制方程只需通過求解質(zhì)量和動量方程即可獲得流場信息。流動工質(zhì)為20 ℃的水，可假設(shè)為不可壓縮流體。質(zhì)量守恒方程可簡化為式（1）。

[▽?u=0] （1）

動量守恒方程表達式為：

[?u?t+u?▽u=ν▽2u-1ρ▽p+F] （2）

式中：[ρ]——流體密度；[p]——壓強；[u]——速度矢量；[μ]——動力黏度；[F]——作用在流體上[x、y、z]這3個方向的體積力，這里指的是流體所受的質(zhì)量力。

1.2 湍流模型

對于沖刷水動力模擬研究，經(jīng)過數(shù)值和試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，采用RNG k-ε模型能較準確地模擬圓柱繞流流動，并能較好地模擬出馬蹄渦流動分離與尾跡流動［17］。這是因為RNG k-ε模型對[ε]和湍動能黏度分別進行了修正，使得模型考慮了主流的時均應(yīng)變率和平均流動中旋轉(zhuǎn)流動的情況，進而提高了模型的預(yù)測精度。RNG k-ε模型表達如式（3）所示：

[?ρk?t+?ρkui?xi=??xjαkμ+μtσk?k?xj+" " " " " "Gk+Gb-ρε-YM+Sk?ρε?t+?ρεui?xi=??xjαεμ+μtσε?ε?xj-" " " " " " C*2ερε2k+C1εεkGk+C3εGbμt=Cμρk2εC*2ε≡C2ε+Cμρη31-ηη01+βη3η=kεS，S=2SijSij，Sij=12?ui?xj+?uj?xi] （3）

其中：

[Cμ=0.0845， αk=αε=1.39，C1ε=1.42，C2ε=1.68， η0=4.377， β=0.012。]

2 數(shù)值計算

圖1展示了帶擾流板結(jié)構(gòu)的單樁基礎(chǔ)示意圖。擾流板結(jié)構(gòu)固定在樁基礎(chǔ)上，其中擾流板一部分在海床內(nèi)，一部分暴露在海水中，并且擾流板最高不超過海面。本文只研究擾流板對流場的擾動特性，所以計算域取海床面以上到海面以下的流體域部分。其次，海上風(fēng)電場中現(xiàn)實的流動為波浪和水流的相互耦合，本文的流動條件為單獨恒定流，在后續(xù)研究中會繼續(xù)探究波浪以及波浪流耦合條件下擾流板對沖刷特性的影響。

2.1 計算域與邊界條件

圖2為數(shù)值模型的計算域，不同繞流結(jié)構(gòu)的計算域均一致。坐標原點位于圓柱中心，其中[x]代表流向、[y]代表垂向、[z]代表側(cè)向。圓柱直徑[D]為6 m，計算域總長為[27D]，寬為[10D]，高為[1.667D]。進口邊界距離圓柱上游表面[13D]，出口邊界離圓柱下游表面[13D]。圖3為網(wǎng)格分布，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。針對圓柱表面和繞流結(jié)構(gòu)區(qū)域分別進行網(wǎng)格加密處理。黏性子層和過渡層內(nèi)的物理量采用壁面函數(shù)求解，為了保證[y+]值符合湍流模型求解要求，第一層網(wǎng)格高度設(shè)置為0.0005 m。

2.2 計算設(shè)置

基于計算流體力學(xué)軟件FLUENT，采用有限體積法進行定常數(shù)值求解，求解算法采用Coupled。其中動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。進口邊界條件為速度進口，出口邊界為自由出流。圓柱表面、擾流板表面、下邊界和側(cè)向兩邊界均為無滑移固壁，上邊界為滑移壁面，速度與進口速度一致。邊界條件具體數(shù)值如表1所示，其中雷諾數(shù)的特征速度為進口流速，特征長度為圓柱直徑。

2.3 數(shù)值驗證

為分析網(wǎng)格質(zhì)量對模型結(jié)果的影響，分別對4種網(wǎng)格量進行計算。從計算結(jié)果可知，L 3 m H 3 m（算例s-2）的流動最復(fù)雜，所以針對該幾何進行網(wǎng)格無關(guān)性分析，4種網(wǎng)格對應(yīng)的有效保護面積和阻力系數(shù)如表2所示。從表2可看出，800萬網(wǎng)格在有效保護面積和阻力系數(shù)的預(yù)測上均與1200萬網(wǎng)格差異最小。在綜合計算精度和計算量的基礎(chǔ)上，所有數(shù)值模擬選取的網(wǎng)格量均約為800萬。

3 擾流板對圓柱周圍流動的影響

3.1 工況設(shè)定

本文對圓柱和帶擾流板的圓柱在相同的來流條件下分別進行數(shù)值模擬。圖4展示了圓柱和帶擾流板的圓柱結(jié)構(gòu)示意圖。圖中[D]表示圓柱的直徑，[L]表示擾流板長度，[B]表示擾流板寬度，[H1]表示擾流板底部距離床面的高度，[H2]表示擾流板的高度，[H]表示圓柱高度。為探究不同擾流板結(jié)構(gòu)對馬蹄渦的影響，分別對擾流板長度和高度進行研究。本文數(shù)值模擬的所有工況如表3所示。

3.2 擾流板幾何對局部馬蹄渦的影響

圖5展示了不同擾流結(jié)構(gòu)對應(yīng)的渦量分布。渦量是描述漩渦運動的物理量，流場渦結(jié)構(gòu)通常用渦量來度量其強度。渦量定義如下：

[ωx=?W?y-?V?zωy=?U?z-?W?xωz=?Y?x-?U?yΩ=ω2x+ω2y+ω2z] （4）

首先對比有無擾流板對馬蹄渦的影響，比較算例0和其他算例工況，可明顯看出，圓柱帶擾流板使得柱前的馬蹄渦強度相較于算例0而言，馬蹄渦強度顯著被削弱，但馬蹄渦的大小隨著擾流板幾何的變化而發(fā)生變化。

對比算例1和算例2，可看出，當(dāng)擾流板幾何固定時，擾流板往圓柱上方移動一定距離（算例1）會使得馬蹄渦朝著靠近圓柱方向移動，渦強度有一定程度的加強，渦的大小有一定程度減小。

對比算例3、算例4和算例5系列工況，可看出這3種系列工況分別隨著擾流板高度的增加，柱前馬蹄渦的形態(tài)和位置均呈現(xiàn)不同的變化形式。對于算例3系列工況而言，當(dāng)擾流板長度固定為1 m時，隨著擾流板高度的增加，可看出柱前馬蹄渦的位置朝著遠離圓柱表面的方向移動，馬蹄渦的強度隨之減小，渦的大小隨之增大。對于算例4系列工況而言，當(dāng)擾流板長度固定為2 m時，可觀察到在擾流板高度為1 m和2 m時，圓柱前的馬蹄渦明顯被破壞，此時擾流板前端存在高渦量的渦結(jié)構(gòu)；當(dāng)擾流板高度增加到3 m時，此時馬蹄渦保持完整，馬蹄渦的強度和大小相較于算例3而言有一定程度減弱和減小。對于算例5系列工況而言，可看出，當(dāng)擾流板長度固定為3 m時，在不同的擾流板高度下，柱前馬蹄渦結(jié)構(gòu)均被破壞。當(dāng)擾流板高為3 m時，擾流板前端出現(xiàn)高渦量區(qū)域。

對比[L/H2=1]的算例，即算例3、算例4-1、算例5-2、算例6、算例7，隨著擾流板長度或高度的變化，馬蹄渦呈現(xiàn)先保持完整，然后被破壞，再保持完整的狀態(tài)。馬蹄渦強度和大小也隨著擾流板長度或者高度的增加逐漸減小。

針對馬蹄渦保持完整的算例，分別對馬蹄渦橫向和縱向位置進行提取，如圖6所示。從圖6a可看出，馬蹄渦橫向位置受擾流板幾何的影響較顯著。馬蹄渦橫向位置隨著擾流板高度和長度的增大而逐漸遠離圓柱表面，朝著圓柱上游方向移動。從圖6b可看出，馬蹄渦縱向位置的相對變化值遠小于橫向變化值，且其相較于擾流板幾何變化呈現(xiàn)出無序變化。可知，隨著擾流板長度和高度的不斷增加，馬蹄渦縱向位置基本不受擾流板長度和高度的影響。

從圖5渦量分布可看出，隨著擾流板高度或長度的變化，均會導(dǎo)致柱前馬蹄渦呈現(xiàn)不同狀態(tài)，為此，為更進一步解釋擾流板幾何對馬蹄渦的影響，采用[Q]準則分別對[L/H2=1]的工況進行渦結(jié)構(gòu)展示，采用相對壓強進行渲染，視圖方向為仰視圖，如圖7所示。從圖中可看出，當(dāng)擾流板長度或高度較小時，此時擾流板與馬蹄渦之間未發(fā)生相互作用，馬蹄渦保持完整。隨著擾流板長度或高度逐漸增加，擾流板長度的相對變化超過馬蹄渦相對位置的變化，此時擾流板與馬蹄渦相互作用，馬蹄渦的完整性被破壞，由于擾流板使得馬蹄渦附近的湍流強度增強，導(dǎo)致馬蹄渦的尺寸隨之變大。在擾流板長度或高度達到3 m時，擾流板穿過馬蹄渦，此時擾流板擾流作用達到最大，馬蹄渦尺寸也達到最大，且擾流板前端誘導(dǎo)出新的馬蹄渦，稱其為次渦。隨著擾流板長度或高度的進一步增加，馬蹄渦被完全破壞，主渦被分割成兩個渦系，并且在擾流板前端誘導(dǎo)出新的次渦。可以明顯看出，當(dāng)擾流板長度或高度為4 m和5 m時，圓柱上游-45°～45°擾流板之間出現(xiàn)滯止區(qū)，該區(qū)域壓力增大，速度降低。

3.3 擾流板幾何對床面剪切應(yīng)力的影響

馬蹄渦的存在增強了床面局部剪切應(yīng)力，從而驅(qū)動泥沙運動，因此分析床面剪切應(yīng)力的變化有助于判定擾流板幾何結(jié)構(gòu)對樁基礎(chǔ)局部沖刷防護的有效性。為便于分析比較，采用相對剪切應(yīng)力[Δτ]，即當(dāng)?shù)丶羟袘?yīng)力/圓柱上游[3（D+2L）]處的剪切應(yīng)力。圖8展示了所有算例的壁面相對剪切應(yīng)力云圖分布。白色部分表示該區(qū)域相對剪切應(yīng)力小于1，該處泥沙運動與自然沖刷相當(dāng)，甚至小于自然沖刷，說明該區(qū)域的局部沖刷被減弱。從圖8中可看出，相對剪切應(yīng)力大于1的部分主要是由于上游的馬蹄渦以及圓柱左右兩側(cè)由于流體下降流造成。值得注意的是，對于大直徑單樁基礎(chǔ)而言，尾跡區(qū)域造成的局部沖刷與自然沖刷相當(dāng)。

對比圓柱與帶擾流板圓柱床面剪切應(yīng)力分布，可看出，具有擾流結(jié)構(gòu)的圓柱周圍的剪切應(yīng)力被有效削弱，且局部沖刷范圍也被縮小。

對比算例1和算例2，可看出，擾流板與床面接觸使得擾流板覆蓋區(qū)的剪切應(yīng)力明顯減小。擾流板與床面具有一定距離時，會造成45°～90°區(qū)域內(nèi)的剪切應(yīng)力過高。這說明擾流板接觸床面具有較好的沖刷防護效果。

對比算例3、算例4、算例5系列工況，可明顯看出，當(dāng)擾流板長度固定，擾流板高度增加時，床面相對剪切應(yīng)力的分布規(guī)律呈現(xiàn)不同的特征。對于算例3系列工況而言，此時擾流板長度為1 m，由于無擾流板圓柱的馬蹄渦位置大于1 m，所以對于1 m長的擾流板而言，不同擾流板高度下，擾流板均不會與馬蹄渦發(fā)生干涉。此外，隨著擾流板高度的增加，圓柱90°以后的區(qū)域剪切應(yīng)力逐漸降低，圓柱周圍被保護區(qū)域也逐漸增加。對于算例4系列工況而言，算例4和算例4-1的擾流板均與馬蹄渦相接觸，此時馬蹄渦受到擾動，馬蹄渦變大，導(dǎo)致圓柱上游馬蹄渦造成的高剪切區(qū)域增大。但隨著擾流板高度的增加，使得45°～90°擾流板間的高剪切區(qū)基本消除。當(dāng)擾流板高度增加到3 m時，此時馬蹄渦進一步朝遠離圓柱表面方向移動，馬蹄渦不再受擾流板干涉，此時圓柱上游出現(xiàn)的低剪切區(qū)域與算例3工況類似，但45°～90°之間出現(xiàn)了高剪切區(qū)。對于算例5系列而言，擾流板長度為3 m，在不同的擾流板高度下，擾流板均對馬蹄渦進行干涉。隨著擾流板高度的增加，擾流板45°～90°之間的高剪切區(qū)域逐漸降低。

對比[L/H2=1]的算例，可看出，床面相對剪切應(yīng)力分布對應(yīng)著圖7的渦結(jié)構(gòu)分布，也呈現(xiàn)出3種變化特性。當(dāng)擾流板長度或高度為1 m時，馬蹄渦保持完整，不受擾流板影響，此時擾流板所覆蓋區(qū)域的剪切應(yīng)力均小于1。當(dāng)擾流板長度或高度增加到2 m和3 m時，馬蹄渦受到擾流板擾動，擾流板覆蓋區(qū)域0°～90°之間存在部分相對剪切應(yīng)力大于1的區(qū)域。當(dāng)擾流板長度或高度增加到4 m和5 m時，馬蹄渦被完全破壞，分割成兩條主渦并誘導(dǎo)出了強度較弱的次渦，此時擾流板覆蓋區(qū)域的45°～90°之間出現(xiàn)相對剪切應(yīng)力大于1的區(qū)域。

為進一步直觀展示擾流板對圓柱周圍的沖刷防護作用，定義有效防護面積[Aeff]（即擾流板覆蓋區(qū)域內(nèi)相對剪切應(yīng)力小于1的面積）和有效防護面積百分比（即有效防護面積/擾流板覆蓋區(qū)域圓環(huán)面積A）。圖9展示了算例3～算例7有效防護面積和其百分比分布。當(dāng)擾流板長度變化范圍為1～3 m時，從圖9a可看出，當(dāng)擾流板長度固定時，隨著擾流板高度增加，有效防護面積先增加后基本不變。綜合來看，擾流板高度為2 m時，不同擾流板長度的有效防護面積基本處于最優(yōu)。當(dāng)擾流板高度固定時，可看出，擾流板長度越長，有效防護面積幾乎隨擾流板長度變化呈倍數(shù)增加。從圖9b可看出，有效防護面積百分比隨長度變化的分布特性與有效防護面積分布特性正好相反。從圖中可看出，對于長度為1 m的擾流板，其有效防護面積百分比處于最優(yōu)。有效防護面積百分比隨著擾流板長度的增加而逐漸降低。有效防護面積百分比隨著擾流板高度的變化規(guī)律與圖9a基本一致。

由前面的流場結(jié)果分析可知，當(dāng)擾流板長度超過3 m時，流動結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致有效防護面積分布也發(fā)生顯著變化。可看出算例6和算例7的有效防護面積顯著增加，且有效防護面積百分比也隨之增加，幾乎達到與擾流板長度為1 m的防護效果。

4 結(jié) 論

針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)象，本文提出一種新型的擾流防護結(jié)構(gòu)，針對該擾流裝置進行數(shù)值模擬分析，探討不同幾何擾流結(jié)構(gòu)對樁周馬蹄渦和床面剪切應(yīng)力的影響，分析擾流結(jié)構(gòu)對樁周流動的影響規(guī)律，量化擾流板對樁周防護的效果，得到如下主要結(jié)論：

1）擾流板結(jié)構(gòu)對馬蹄渦橫向和縱向位置的影響存在差異。馬蹄渦橫向位置隨著擾流板高度和長度的增大而逐漸遠離圓柱表面，朝著圓柱上游方向移動；馬蹄渦縱向位置變化遠小于橫向變化。擾流板的存在明顯減弱了樁周的馬蹄渦強度，且馬蹄渦強度隨著擾流板長度的增加而減小，高度變化對馬蹄渦強度影響較小。

2）擾流板的存在使得樁周的床面剪切應(yīng)力明顯減小，且擾流板接觸床面具有較好的沖刷防護效果；當(dāng)擾流板長度為1 m時，不同高度的擾流板結(jié)構(gòu)都能較好的保護樁周床面；當(dāng)擾流板長度大于1 m時，不同擾流板長度和高度的擾流結(jié)構(gòu)下，在45°～90°區(qū)域內(nèi)存在小面積的高剪切應(yīng)力區(qū)域。

3）對于擾流板高度和長度變化范圍為1～3 m的工況，從有效防護面積絕對值的角度考慮，擾流板長度越長，擾流板所能防護的面積越大，且擾流板高度大于等于2 m過后，其高度的增加對防護面積的增加作用較少。從有效防護面積的百分比角度考慮，[L/H2=1]時，擾流板所覆蓋的圓柱周圍75%以上的區(qū)域都能被防護。綜合防護效果和實際工程應(yīng)用考慮，建議擾流板長度和高度均采用4 m或5 m。

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INVESTIGATION ON INFLUENCE OF SPOILER ON LOCAL EROSION OF OFFSHORE WIND POWER MONOPILE FOUNDATION

Li Hui1，2，Qiu Xu1，2，Zhao Hao1，2，Ma Wenguan1，2，Liu Xin1，2

（1. China Huaneng Group Clean Energy Technology Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 102209， China；

2. National Energy Ramp;D Center of Offshore Wind Power Engineering and Operation， Beijing 102209， China）

Abstract：Monopile foundations have become the most common infrastructure in the field of offshore wind power due to their simple structure and convenient construction. However， they are often accompanied by local erosion of the seabed around the pile. In this study， a spoiler anti-erosion structure is proposed， and a three-dimensional numerical model is established using a large-diameter monopile foundation of offshore wind power as the research object. Based on numerical simulations， the influence of the spoiler structure on local scouring around the pile is studied under constant currents. The influence of the spoiler’s length （L） and height （H2） on the position and strength of local horseshoe vortices is discussed， and the effect of local bed shear stress is also analyzed. Results show that the spoiler structure can effectively weaken the strength of local horseshoe vortices， reduce shear stress on the bed around the monopile. The local horseshoe vortex exhibits three flow mechanisms under the influence of the spoiler’s geometry. When L/H2=1， the spoiler has better erosion protection characteristics. Overall， the spoiler structure has a good protective effect on local erosion protection and is significant for guiding the protection design of pile foundations.

Keywords：offshore wind power； monopile； cylinder flow； scouring； horseshoe vortex； bed surface shear stress