收稿日期：2022-10-31

基金項(xiàng)目：華能集團(tuán)總部科技項(xiàng)目“多維多源環(huán)境下海上風(fēng)電場群規(guī)劃優(yōu)化和機(jī)組整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)”（HNKJ20-H53）；北京市科技新

星計(jì)劃（20220484046）；海上風(fēng)電場基礎(chǔ)沖刷防護(hù)治理理論、措施及工程應(yīng)用研究（HNKJ23-H18）

通信作者：邱 旭（1989—），男，博士、高級(jí)工程師，主要從事風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)風(fēng)工程等方面的研究。tjqiuxu@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1658 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0135-08

摘 要：海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)沖刷坑的存在對(duì)風(fēng)電場安全運(yùn)行造成不利影響，須采用有效的沖刷防護(hù)措施穩(wěn)固樁周泥沙。該文以山東海域某海上風(fēng)電場為研究對(duì)象，提出混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)措施，并將其簡化為六列矩形塊陣列模型，通過數(shù)值模擬分析了矩形塊陣列模型的水動(dòng)力特性。研究發(fā)現(xiàn)，第1排矩形塊為整個(gè)矩形陣列模型的主要受力塊，混凝土聯(lián)鎖排整體阻力可通過單獨(dú)計(jì)算第1排單個(gè)矩形塊來評(píng)估，能顯著減少計(jì)算量； 其次，矩形塊阻力系數(shù)隨時(shí)間變化具有周期性，但隨時(shí)間變化幅度較小?？傮w而言，本文結(jié)果對(duì)指導(dǎo)混凝土連鎖排防護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的工程意義。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；數(shù)值模擬；沖刷防護(hù)；水動(dòng)力特性；混凝土聯(lián)鎖排

中圖分類號(hào)：O352""""""""" """"""""" ""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上風(fēng)能資源豐富，大力發(fā)展海上風(fēng)電對(duì)實(shí)現(xiàn)中國綠色低碳發(fā)展具有重要意義。隨著對(duì)海上風(fēng)能資源的大規(guī)模開發(fā)，截至2023年9月，中國海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模已躍居世界第一。海上風(fēng)力機(jī)主要由基礎(chǔ)、塔架、機(jī)艙、葉片組成。其中，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對(duì)海上風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行至關(guān)重要。中國的海上風(fēng)電場中約65%的支撐結(jié)構(gòu)采用單樁基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)勢(shì)，已成為海上風(fēng)電領(lǐng)域最主要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式［1］。由于樁體的存在，會(huì)使得樁基周圍海水的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生顯著變化，水流與樁周的土體相互作用，引起海床表層土體被水流裹挾并移運(yùn)，導(dǎo)致樁基周圍的土層受到?jīng)_刷，進(jìn)而導(dǎo)致樁周產(chǎn)生沖刷坑。樁周沖刷對(duì)單樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，為保障海上風(fēng)電安全運(yùn)行，研究海上風(fēng)電沖刷防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。

關(guān)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷防護(hù)措施，目前常用的方法有拋石、固化土、砂被等。針對(duì)這些常用的沖刷防護(hù)措施，已有學(xué)者開展了相關(guān)理論研究［2-5］。此外，也有學(xué)者提出新穎的沖刷防護(hù)措施，王衛(wèi)等［6］提出水下膠結(jié)拋石體用于單樁基礎(chǔ)防護(hù)，通過大比尺試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)通過水下灌漿膠結(jié)固化樁周的拋石使得拋石體護(hù)底具有良好的整體性，并能有效抵抗強(qiáng)波、流的影響而不被破壞；楊武炳［7］提出將防護(hù)堤和拋石相結(jié)合的新型沖刷防護(hù)方案，通過實(shí)驗(yàn)分析了該方案具有施工簡單、成本低的特點(diǎn)，并能有效解決沖刷問題；魏凱等［8］采用試驗(yàn)方法研究了單樁局部沖刷規(guī)律和防護(hù)圈帶來的防沖刷效果，發(fā)現(xiàn)采用防護(hù)圈作為沖刷防護(hù)措施能有效抵抗單向流和潮汐往復(fù)流的影響。

混凝土連鎖排作為一種沖刷防護(hù)措施，已廣泛用于河堤沖刷防護(hù)工程中［9］，其具有整體性和柔性好等特點(diǎn)，能適應(yīng)河床一定程度的變形，且抗沖能力較強(qiáng)。因此將混凝土聯(lián)鎖排引入海上風(fēng)電領(lǐng)域，將具有一定的工程意義，開展相關(guān)研究十分必要。

本文將混凝土聯(lián)鎖排作為研究對(duì)象，將其簡化為六列多排矩形塊陣列模型，基于計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)六列多排矩形塊陣列模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，首先通過單方塊擾流模型進(jìn)行數(shù)值方法驗(yàn)證，然后分析六列多排矩形塊的流場特性和阻力系數(shù)分布，為混凝土聯(lián)鎖排設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 研究對(duì)象

本文提出的混凝土聯(lián)鎖排用于海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷防護(hù)，通過在樁基礎(chǔ)周圍鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖排，并在混凝土聯(lián)鎖排下鋪設(shè)復(fù)合土工布來隔絕海床土體與海流之間相互作用。其中混凝土聯(lián)鎖排由矩形混凝土塊拼接而成，樁基周圍混凝土聯(lián)鎖排難以覆蓋區(qū)域可采用拋石方式進(jìn)行填充和壓實(shí)，如圖1所示。

本文以山東海域某海上風(fēng)電場為研究對(duì)象。該風(fēng)電場代表水深為16 m，50年一遇潮流流速為0.96 m/s，50年一遇

海流流速為0.14 m/s，波浪引起的近水底流速為0.4 m/s，所以取海流設(shè)計(jì)流速為1.5 m/s。風(fēng)電場單機(jī)機(jī)組容量為8 MW，采用單樁基礎(chǔ)，單樁外徑為8 m。在樁周50 m范圍內(nèi)鋪設(shè)4塊混凝土聯(lián)鎖排，混凝土聯(lián)鎖排距離樁基礎(chǔ)外沿1～10 m?；炷谅?lián)鎖排分別由兩塊主體聯(lián)排和兩塊搭接聯(lián)排組成。通過鋪排船對(duì)4塊混凝土聯(lián)鎖排進(jìn)行拼裝，并在水下進(jìn)行搭接鋪設(shè)。鋪設(shè)完形成的整體混凝土聯(lián)鎖排為34 m×34 m的方形，高度為250 mm，其整體質(zhì)量約為400 t?；炷谅?lián)鎖排下放置的復(fù)合土工布為30 m×30 m的方形，其單位面積質(zhì)量不小于600 g/m2。

由于本文僅研究單樁基礎(chǔ)前排的主體聯(lián)排所受阻力特性和流場特征，所以只選取主體聯(lián)排進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

本文數(shù)值計(jì)算基于計(jì)算流體力學(xué)，其通過計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)控制方程，對(duì)水動(dòng)力問題進(jìn)行模擬和分析。對(duì)于流體力學(xué)問題，主要遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，并通過連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述。為了簡化方程，可將三大方程整合成一個(gè)通用方程來表達(dá)，數(shù)值計(jì)算求解的通用形式如式（1）所示。

[?U?t+?F?x+?G?y+?H?z=J] （1）

式中：[U、F、G、H、J]——通用方程里的列向量，[U]為方程中的解向量，[F、G]和[H]為方程中的通量向量，代表對(duì)流通量，[J]為源項(xiàng)。由于本文不考慮溫度變化和無內(nèi)熱源，因此不考慮能量方程和體積熱流，各列向量的具體表達(dá)形式如式（2）～式（6）所示。

[U=ρρuρvρw] （2）

[F=ρuρu2+p-τxxρvu-τxyρwu-τxz] （3）

[G=ρvρuv-τyxρv2+p-τyyρwv-τyz] （4）

[H=ρwρuw-τzxρvw-τzyρw2+p-τzz]""""" （5）

[J=0ρfxρfyρfz] （6）

2.2 湍流模型

計(jì)算采用的湍流模型為RNG [k-ε]模型。流動(dòng)中小尺度影響通過在大尺度運(yùn)行和修正后的黏度項(xiàng)來體現(xiàn)，所得到的[k]方程和[ε]方程與標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]模型相似［10］，如式（7）和式（8）所示。

[?ρk?t+?ρkui?xi=??xjαkμeff?k?xj+Gk-ρε]" （7）

[?ρε?t+?ρεui?xi=??xjαεμeff?ε?xj+C?1εεGkk-C2ερε2k]""" （8）

式中：[Gk]——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能[k]的生成項(xiàng)；[μeff=μ+μt，μt=ρCμk2/ε;][Cμ]——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)［11］，[Cμ=0.0845]；[αk=αε=1.39]；[C2ε=1.68]。

3 計(jì)算模型

3.1 模型幾何

主體混凝土聯(lián)鎖排主要由3種尺寸的矩形塊組成，整體外形尺寸為34 m×12 m，塊與塊之間的距離[a=100 mm，][b=200]mm，高度[h=250] mm，方形塊邊長[D=400]mm，具體排布如圖2所示。

3.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

為分析混凝土塊的受力情況，同時(shí)降低計(jì)算量，取混凝土聯(lián)鎖排中的六列矩形作為簡化模型，簡化模型中的單個(gè)矩形塊類型、分布、尺寸均與混凝土聯(lián)鎖排一致。簡化后的六列矩形陣列模型共168個(gè)矩形塊，總體長12 m、寬2.4 m、高250 mm。簡化后模型的計(jì)算域以及網(wǎng)格分布如圖3所示，其中六列矩形陣列模型計(jì)算域進(jìn)、出口長度為整個(gè)模型寬度的15倍和22倍，兩側(cè)計(jì)算域分別為模型寬度的1.3倍；模型的計(jì)算域高度為16 m。流體入口流動(dòng)方向?yàn)閅軸的負(fù)方向，混凝土聯(lián)鎖排高度方向?yàn)閆軸的負(fù)方向，X軸代表周向。模型計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，六列矩形陣列模型的整體網(wǎng)格量約2300萬。由于流動(dòng)狀態(tài)為高雷諾數(shù)流動(dòng)，為了保證[y+]符合RNG [k-ε]模型要求，即[y+gt;11.5～30]，第一層網(wǎng)格高度均取為0.03 mm。數(shù)值計(jì)算得到的壁面[y+]分布如圖4所示，可見數(shù)值計(jì)算中采用的第一層網(wǎng)格高度符合模型求解要求。

3.3 計(jì)算設(shè)置

數(shù)值計(jì)算基于FLUENT軟件進(jìn)行求解，采用均勻速度進(jìn)口為入口邊界條件，自由出流為出口邊界條件，下邊界和周向兩側(cè)邊界以及矩形塊表面均為無滑移固壁，上邊界為滑移壁面，邊界條件具體數(shù)值如表1所示。其中進(jìn)口雷諾數(shù)計(jì)算采用第一排矩形塊的寬度（300 mm）作為特征長度，速度則為進(jìn)口流速。求解算法采用壓力速度耦合方式PISO進(jìn)行求解，其中動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。工質(zhì)為水，動(dòng)力黏度為0.001 Pa·s，時(shí)間步長取0.005 s。

3.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，選擇簡單的二維方柱和矩形柱繞流作為驗(yàn)證模型，圖5為驗(yàn)證模型的網(wǎng)格分布。對(duì)于方塊繞流計(jì)算，很多學(xué)者已做了大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)工作［12-16］，將驗(yàn)證模型非定常數(shù)值計(jì)算得到的平均阻力系數(shù)[Cd_mean]和升力系數(shù)的均方根值[Cl_rms]與文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中[Cd]和[Cl]分別如式（9）和式（10）所示。

[Cd=Fd/0.5ρU2inD]""" （9）

[Cl=Fl/0.5ρU2inL]""""" （10）

式中：[Fd、][Fl]——繞流阻力、升力，N；[D]——方柱邊長或矩形柱寬度，m；[L]——方柱邊長或矩形柱長度，m；[Uin]——進(jìn)口速度，m/s；[ρ]——工質(zhì)密度，kg/m3。

a. 方塊""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" b. 矩形塊

數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果如表2所示，可看出，數(shù)值計(jì)算得到的二維方柱和矩形柱均與文獻(xiàn)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明本文數(shù)值計(jì)算方法可靠。

4 結(jié)果與分析

4.1 流場特征分析

為探究混凝土聯(lián)鎖排的流場特征，圖6展示了六列矩形陣列模型在距離底面50 mm處，Y-X平面內(nèi)的速度分量分布。從圖6中可看出，均勻水流繞過矩形陣列時(shí)，水流流態(tài)發(fā)生了復(fù)雜的變化。當(dāng)水流繞過第1排矩形塊前表面時(shí)，矩形塊兩側(cè)對(duì)水流產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，使得水流在繞過矩形塊兩側(cè)時(shí)，X方向的水流速度變化劇烈。其中6列矩形陣列外側(cè)的矩形塊對(duì)水流在X方向的速度影響范圍最大。水流通過第1排矩形前表面后，由于流體運(yùn)動(dòng)空間大小發(fā)生了變化，使得第1排矩形塊間隙內(nèi)的流體在Y方向的速度有所增加，且往下游輸運(yùn)過程中受到下游矩形塊的影響，導(dǎo)致其流動(dòng)出現(xiàn)左右擺動(dòng)。由于流體受到阻力的影響，水流往下游流動(dòng)過程中能量逐級(jí)遞減，后排矩形塊內(nèi)的流動(dòng)逐漸穩(wěn)定且流速逐漸趨于均勻。在流體流出最后一排矩形塊時(shí)，流體流經(jīng)的空間發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致在最后一排矩形塊后表面的流體速度發(fā)生變化。

流體速度的變化帶來流動(dòng)形態(tài)的變化，用無量綱渦量對(duì)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示。無量綱渦量［17］的定義如式（11）所示。

[Ω=ω?UlUUin]"""""" （11）

式中：[ω]——3個(gè)方向的渦量矢量；[U]——3個(gè)方向的速度矢量；[l]——特征長度（這里取單塊混凝土塊的寬度）；[U]——合成速度標(biāo)量。

圖7展示了6列矩形陣列模型的流場渦量分布。對(duì)于Y-X平面，從圖7a中可看出，在第一排矩形外側(cè)有漩渦產(chǎn)生，以及隨著流體繞流通過矩形塊后，在矩形塊間隙內(nèi)以及矩形塊尾部均產(chǎn)生了漩渦，隨著渦的產(chǎn)生和遷移，渦的能量逐漸耗散。除矩形陣列外側(cè)兩列的矩形塊之間產(chǎn)生了分離渦外，內(nèi)部矩形塊從第5排以及之后的矩形塊之間的渦強(qiáng)度逐漸減小。結(jié)合圖6中的速度云圖可看出，矩形陣列流場具有對(duì)稱性，故選取第1～3列的Y-Z平面進(jìn)行流動(dòng)渦結(jié)構(gòu)分析。從圖7b可看出，第1排矩形塊上表面均產(chǎn)生了漩渦，這是由于流體繞流通過矩形塊表面時(shí)，由于黏性的影響，使得流體在矩形塊表面產(chǎn)生流動(dòng)分離，從而產(chǎn)生漩渦。此外，在矩形塊之間間隙內(nèi)也產(chǎn)生了流動(dòng)分離，其中第1列和第2列矩形塊間隙內(nèi)的漩渦強(qiáng)度最強(qiáng)，第3列矩形塊間隙內(nèi)的渦強(qiáng)度逐漸減弱。

從流場特征分析發(fā)現(xiàn)，矩形陣列使得流場形態(tài)發(fā)生了復(fù)雜變化，在整個(gè)矩形陣列外部以及內(nèi)部均產(chǎn)生了不同強(qiáng)度的漩渦，這更加說明混凝土聯(lián)鎖排設(shè)計(jì)能有效減弱流體在近土層的流動(dòng)速度，從而達(dá)到減弱沖刷的效果。

4.2 繞流阻力特性

從流場特征可知，矩形陣列模型具有明顯的對(duì)稱性。針對(duì)第1～3列的矩形塊，計(jì)算每個(gè)矩形塊的平均阻力系數(shù)，如圖8所示，其中[nY]表示矩形塊沿Y方向的編號(hào)。從阻力系數(shù)分布可看出，第1排矩形塊所受的阻力最大，第2排矩形塊的阻力系數(shù)急劇減小，第3排以及之后排矩形塊的阻力系數(shù)先緩慢增加，然后基本維持不變?？梢姷?排的矩形塊是阻擋水流沖刷的主要受力塊。

由于矩形陣列模型包含3種不同尺寸的矩形塊，為了將這3種矩形塊的分析考慮進(jìn)來，故選取前5排的矩形塊進(jìn)行阻力系數(shù)分析，阻力系數(shù)分布如圖9所示。其中[nX]表示矩形塊沿[X]方向的編號(hào)，方塊代表不同排對(duì)應(yīng)的矩形塊形狀。從不同排的阻力系數(shù)可看出，阻力系數(shù)整體而言呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性，個(gè)別數(shù)值結(jié)果非常小的點(diǎn)未呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性，分析得出是由于數(shù)值誤差造成的。將每個(gè)矩形塊的阻力系數(shù)隨

時(shí)間變化進(jìn)行分析，得出了最大阻力系數(shù)Cd_max、最小阻力系數(shù)Cd_min和時(shí)均阻力系數(shù)Cd_ave分布。從圖9可看出，不同排的最大阻力系數(shù)和最小阻力系數(shù)之間的差值均呈現(xiàn)兩端最小，中間最大的分布。對(duì)于第1排的阻力系數(shù)分布可看出，最大和最小阻力系數(shù)最大差值為0.027，這說明流動(dòng)非定常特性帶來阻力系數(shù)的影響較小。特別的，對(duì)于第3～5排矩形塊阻力系數(shù)分布可看出，存在最大阻力系數(shù)為正，最小阻力系數(shù)為負(fù)的分布，這說明流動(dòng)的非定常效應(yīng)會(huì)使得當(dāng)?shù)鼐匦螇K受力出現(xiàn)前后擺動(dòng)，即與流動(dòng)方向相同或相反方向受力。對(duì)于第1排矩形塊阻力系數(shù)分布可看出，兩側(cè)的矩形塊受到的阻力最大，越往中間阻力系數(shù)有所減小，這與前面分析得出的流場特性相對(duì)應(yīng)。對(duì)于第2排矩形塊阻力系數(shù)分布而言，可看出其阻力系數(shù)分布的趨勢(shì)與第1排完全相反，呈現(xiàn)中間阻力大，兩側(cè)阻力小的特點(diǎn)。主要是由于第2排中間矩形塊受到上一排矩形塊間隙內(nèi)流動(dòng)影響所造成的。第3排矩形塊的阻力分布規(guī)律較弱，第4排和第5排的阻力系數(shù)分布規(guī)律恢復(fù)到與第1排阻力系數(shù)分布一致。從數(shù)值結(jié)果來看，第1排阻力系數(shù)呈正值，這說明矩形塊受到的阻力與流動(dòng)方向相同，具有抵抗水流沖擊的作用。而后面幾排的矩形塊的阻力系數(shù)數(shù)值出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，在忽略數(shù)值誤差的影響下，后面排的土塊承受的阻力與流動(dòng)方向相反，說明這些矩形塊受到吸力，有向前移動(dòng)的趨勢(shì)。

4.3 阻力系數(shù)非定常特性

由于繞流流動(dòng)具有較強(qiáng)的非定常性，為進(jìn)一步分析不同混凝土塊所受阻力隨時(shí)間的變化特性，圖10展示了不同時(shí)刻下前5排混凝土塊的阻力系數(shù)分布，其中圖例第1個(gè)數(shù)字代表排數(shù)，第2個(gè)數(shù)字代表列數(shù)。從圖中可看出，當(dāng)流動(dòng)時(shí)間達(dá)到40 s時(shí)，不同位置處的矩形塊流動(dòng)基本進(jìn)入周期運(yùn)動(dòng)。從圖10a～圖10c可看出，第1、2、5、6列的矩形塊均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，其運(yùn)動(dòng)周期為2.5 s，但其阻力系數(shù)變化幅度較小。第3列和第4列矩形塊呈現(xiàn)周期性不強(qiáng)，阻力系數(shù)變化幅度相較于其他列而言較大，大周期為22 s。從圖10d和圖10e可看出，位于整個(gè)混凝土聯(lián)鎖排中間的矩形塊運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其阻力系數(shù)分布基本無周期性?？偟膩碚f，不同位置處的矩形塊阻力系數(shù)分布具有周期性，但是其隨時(shí)間變化的幅度較小，非定常特性較弱。

4.4 阻力系數(shù)簡化計(jì)算

本文將混凝土聯(lián)鎖排簡化為六列矩形塊陣列模型，網(wǎng)格量已達(dá)千萬量級(jí)，若對(duì)混凝土聯(lián)排按實(shí)際幾何尺寸進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算量將會(huì)更大，難以計(jì)算。為了探究簡化混凝土塊聯(lián)鎖排的計(jì)算方法，從而方便工程設(shè)計(jì)，故將6列矩形塊陣列模型計(jì)算得到的整體阻力系數(shù)與單個(gè)矩形塊計(jì)算得到的阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。從前文的阻力系數(shù)分布結(jié)果可看出，6列矩形陣列模型第1排的矩形塊是主要的受力塊，所以選擇6列矩形陣列模型的第1排單個(gè)矩形塊作為簡化計(jì)算對(duì)象，單獨(dú)計(jì)算的矩形塊計(jì)算域網(wǎng)格量為126萬。從計(jì)算結(jié)果可看出，單個(gè)矩形塊計(jì)算得到的阻力系數(shù)與6列矩形陣列模型得到的結(jié)果吻合較好，這說明在工程設(shè)計(jì)中，能通過計(jì)算混凝土聯(lián)鎖排第1排單個(gè)矩形塊來快速獲取混凝土聯(lián)鎖排的整體阻力系數(shù)。

5 結(jié) 論

本文提出混凝土聯(lián)鎖排用于海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷的防護(hù)措施，并將混凝土聯(lián)鎖排簡化為6列矩形陣列模型，基于數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行水動(dòng)力分析，探討混凝土聯(lián)鎖排的流動(dòng)特性和阻力系數(shù)分布，并提出混凝土聯(lián)鎖排整體阻力系數(shù)工程計(jì)算的簡化方法，得到的主要結(jié)論如下：

1）矩形陣列布置會(huì)導(dǎo)致流場發(fā)生復(fù)雜變化，其中第1排矩形塊兩側(cè)對(duì)流場的擾動(dòng)作用最大，越往下游的矩形塊對(duì)流體的擾動(dòng)作用越??；矩形塊之間的間隙流也會(huì)對(duì)下游的矩形塊產(chǎn)生擾動(dòng)作用；整個(gè)矩形陣列外部以及內(nèi)部均產(chǎn)生了漩渦，說明混凝土連鎖排可有效耗能，減弱流體在近土層的流動(dòng)速度，從而達(dá)到減弱沖刷的效果。

2）矩形塊之間的阻力系數(shù)分布具有明顯的對(duì)稱性，且不同排矩形塊之間的分布趨勢(shì)有所不同，這與矩形塊之間的流場分布有關(guān)；第1排矩形塊是主要的受力塊，所承受的阻力最大；矩形塊阻力系數(shù)隨時(shí)間變化具有周期性，且隨時(shí)間變化幅度較小，非定常特性較弱。

3）混凝土聯(lián)鎖排的整體阻力系數(shù)與第1排單個(gè)矩形塊的阻力系數(shù)具有相似性，工程上可根據(jù)該特性進(jìn)行簡化計(jì)算；簡化后的模型在保證計(jì)算結(jié)果可靠的情況下，顯著減少了計(jì)算量和模擬時(shí)間。

由于本文只探討了混凝土聯(lián)鎖排的水動(dòng)力特性，實(shí)際工程中還需關(guān)心混凝土聯(lián)鎖排對(duì)土層沖刷的實(shí)際防護(hù)效果，未來還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際和試驗(yàn)分析進(jìn)一步探究混凝土聯(lián)鎖排對(duì)土層沖刷量的影響和防護(hù)后的樁周沖刷變化規(guī)律。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" 郭健， 王皓， 駱光杰， 等. 海上風(fēng)機(jī)變徑單樁基礎(chǔ)水平承載特性數(shù)值分析［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2022， 22（9）： 3658-3664.

GUO J， WANG H， LUO G J， et al. Numerical analysis of horizontal bearing capacity of variable diameter pile foundation for offshore wind turbine［J］. Science technology and engineering， 2022， 22（9）： 3658-3664.

［2］"""" DE VOS L， DE ROUCK J， TROCH P， et al. Empirical design of scour protections around monopile foundations. Part 2： dynamic approach［J］. Coastal engineering， 2012， 60： 286-298.

［3］"""" 王亞康. 海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)采用拋石修復(fù)沖刷坑的施工實(shí)踐［J］. 船舶工程， 2021， 43（增刊1）： 66-70.

WANG Y K. Construction practice of repairing scour pit with riprap for offshore wind power monopile foundation［J］. Ship engineering， 2021， 43（S1）： 66-70.

［4］"""" 雷傳， 范肖峰， 葉兆藝， 等. 海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)防沖刷施工技術(shù)［J］. 水電與新能源， 2022， 36（2）： 70-73.

LEI C， FAN X F， YE Z Y， et al. Anti-scouring construction technology of single pile foundation in offshore wind farm［J］. Hydropower and new energy， 2022， 36（2）： 70-73.

［5］"""" 和慶冬， 戚建功. 一種新技術(shù)在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷防護(hù)的應(yīng)用研究［J］. 南方能源建設(shè)， 2020， 7（2）： 112-121.

HE Q D， QI J G. A new technology research for scour protection of offshore wind turbine foundation［J］. Southern energy construction， 2020， 7（2）： 112-121.

［6］"""" 王衛(wèi)， 王百智， 陳松貴， 等. 海上風(fēng)電單樁膠結(jié)拋石體防沖刷措施模型試驗(yàn)研究［J］. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 62（9）： 1401-1407.

WANG W， WANG B Z， CHEN S G， et al. Model test investigation of offshore wind power monopile scour protection measures based on cemented riprap underwater［J］. Journal of Tsinghua University （science and technology）， 2022， 62（9）： 1401-1407.

［7］"""" 楊武炳. 海上風(fēng)電工程樁基防沖刷設(shè)計(jì)方案［J］. 能源與節(jié)能， 2022（3）： 184-187.

YANG W B. Anti-scouring design scheme for pile foundation of offshore wind power projects［J］. Energy and energy conservation， 2022（3）： 184-187.

［8］"""" 魏凱， 王順意， 裘放， 等. 海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)海流局部沖刷及防護(hù)試驗(yàn)研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2021， 42（9）： 338-343.

WEI K， WANG S Y， QIU F， et al. Experimental study on local scour and its protection of offshore wind turbine monopile under ocean current［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（9）： 338-343.

［9］"""" 嚴(yán)瑩. 系混凝土塊土工格柵軟體排在長江護(hù)岸工程中的開發(fā)應(yīng)用研究［J］. 工程技術(shù)研究， 2016（8）： 57-59.

YAN Y. Study on the development and application of concrete block geogrid soft raft in Yangtze River revetment project［J］. Engineering and technological research， 2016（8）： 57-59.

［10］""" VERSTEEG H K， MALALASEKERA W. An introduction to computational fluid dynamics： the finite volume method［M］. 2nd ed. Harlow： Pearson Education Ltd.， 2007.

［11］""" YAKHOT V， ORSZAG S A. Renormalization group analysis"" of"" turbulence." I." Basic" theory［J］." Journal" of scientific computing， 1986， 1（1）： 3-51.

［12］""" 沈立龍， 劉明維， 呂啟兵， 等. 雙排并列三方柱繞流數(shù)值模擬［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2014， 14（23）： 135-139， 163.

SHEN L L， LIU M W， LYU Q B. Numerical simulation of the flow around double-row tied for three square cylinders［J］. Science technology and engineering， 2014， 14（23）： 135-139， 163.

［13］""" RODI W. Simulation of flow past buildings with statistical turbulence"""" models［C］//Wind"""" Climate"""" in"""" Cities. Dordrecht： Springer Netherlands， 1995： 649-668.

［14］""" LYN D A， EINAV S， RODI W， et al. A laser-Doppler velocimetry study of ensemble-averaged characteristics of the turbulent near wake of a square cylinder［J］. Journal of fluid mechanics， 1995， 304： 285-319.

［15］""" LYN D A， RODI W. The flapping shear layer formed by flow separation from the forward corner of a square cylinder［J］. Journal of fluid mechanics， 1994， 267： 353-376.

［16］""" 劉志江， 郭建廷， 孟小峰， 等. 基于CFD的方柱繞流水動(dòng)力數(shù)值模擬［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2020， 42（17）： 36-41.

LIU Z J， GUO J T， MENG X F， et al. Numerical simulation on hydrodynamic characteristics around rectangular cylinder based on CFD［J］. Ship science and technology， 2020， 42（17）： 36-41.

［17］ ZHONG F P， ZHOU C. Effects of tip gap size on the aerodynamic performance of a cavity-winglet tip in a turbine cascade［J］. Journal of turbomachinery， 2017， 139（10）： 101009.

INVESTIGATION ON HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF CONCRETE BLOCKS INTERLOCKING ROWS BASED ON

NUMERICAL SIMULATION

Li Hui，Qiu Xu，Liu Xin，Yan Shu

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

Abstract：The existence of scour holes around the foundations of offshore wind farms has a detrimental effect on the safe operation of wind turbines， and effective scour protection measures are crucial for stabilizing the sediment around the piles. Taking an offshore wind farm in a Shandong sea area as a research object， this paper proposes the concrete blocks interlocking row protection method which are simplified into a six-column rectangular blocks array model. Based on numerical simulation， the hydrodynamic characteristic of the model is analyzed. It is found that the first row of rectangular blocks is the main force zone of the entire rectangular array model， and the overall drag coefficient of concrete interlocking rows can be evaluated by calculating the first row of individual rectangular block separately， which can significantly reduce the calculation time. In addition， the drag coefficient of blocks changes periodically with flow time， but the amplitude of change with flow time is small.

Keywords：offshore wind turbines； numerical simulation； scour protection； hydrodynamic characteristics； concrete blocks interlocking rows