如东海上风电基础周边水动力特性及波流力精准计算探究

如东海上风电基础周边水动力特性及波流力精准计算探究一、引言1.1研究背景随着全球对清洁能源需求的不断增长以及环保意识的日益增强，海上风电作为一种清洁、可持续的能源开发方式，在过去几十年中取得了迅猛发展。海上风电具有风能资源丰富、风速稳定、不占用陆地土地资源、对环境影响较小等显著优势，逐渐成为全球能源领域的研究热点和投资重点。近年来，全球海上风电装机容量持续攀升。据全球风能协会（GWEC）统计数据显示，截至2023年底，全球海上风电累计装机容量已超过80GW，并且预计在未来几年内仍将保持高速增长态势。欧洲作为海上风电发展的先驱地区，凭借其丰富的海上风能资源和先进的技术水平，在海上风电领域一直处于领先地位。例如，丹麦、英国、德国等国家拥有众多大规模海上风电场，其海上风电技术成熟度高，产业链完善。同时，亚洲地区海上风电发展也十分迅速，中国、韩国、日本等国家纷纷加大对海上风电的开发力度，成为全球海上风电市场的重要增长极。中国海岸线漫长，海上风能资源极为丰富，据估算，中国海上风能资源技术可开发量超过2亿千瓦。自2010年上海东海大桥海上风电场建成投运以来，中国海上风电产业进入快速发展阶段。特别是“双碳”目标提出后，海上风电作为实现能源转型和碳减排的重要手段，得到了国家政策的大力支持和推动。截至2024年底，中国海上风电累计装机容量已突破40GW，跃居全球首位。目前，中国已在江苏、广东、福建、浙江等沿海省份建成多个大型海上风电场，并逐步向深远海区域拓展。在众多海上风电项目中，如东海上风电项目具有重要地位。如东位于江苏省南通市，地处黄海之滨，拥有优越的地理位置和丰富的海上风能资源。如东海上风电项目是中国海上风电发展的重要示范基地之一，其开发建设对于推动中国海上风电技术进步、产业升级以及实现能源结构优化具有重要意义。如东海上风电场从2002年国家首个风电特许权项目落户此地开始，经过多年的发展，已建成32座风电场，风电总装机规模超563万千瓦，约占江苏省风电总装机容量的四分之一，其中海上风电装机容量达483万千瓦，约占江苏省海上风电装机容量的41%，风电累计上网电量561亿千瓦时，成为名副其实的“海上风电第一县”。海上风电基础作为支撑风电机组的关键结构，其稳定性和安全性直接关系到整个风电场的正常运行和经济效益。而基础周边的水动力特性复杂多变，受到波浪、海流、潮汐等多种海洋动力因素的综合影响。在波流共同作用下，基础结构承受着复杂的波流力，这些力不仅会对基础结构产生直接的力学作用，还可能引发结构的振动、疲劳损伤甚至破坏，严重威胁风电场的安全稳定运行。准确研究海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算方法，对于优化基础设计、提高结构安全性和可靠性、降低工程成本具有至关重要的意义。例如，在如东海上风电项目中，由于该海域潮间带广阔，潮涨潮落的影响使得基础施工和运行环境更为复杂，对基础周边水动力特性和波流力的准确把握显得尤为关键。若不能充分考虑这些因素，可能导致基础设计不合理，增加工程建设和运维成本，甚至影响风电场的使用寿命和发电效率。因此，开展如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算的研究具有重要的现实意义和工程应用价值。1.2研究目的与意义本研究旨在深入剖析如东海上风电基础周边的水动力特性，并精准计算其波流力。通过现场实测、物理模型试验和数值模拟等多手段相结合的方式，全面揭示如东海上风电基础周边复杂的水动力特性规律。具体而言，将深入研究波浪、海流、潮汐等海洋动力因素在该区域的相互作用机制，分析其对水动力特性的具体影响方式和程度。同时，基于理论分析和大量实际数据，建立适用于如东海上风电基础的波流力计算模型，提出科学、准确的波流力计算方法，为如东海上风电项目的基础设计和安全运行提供坚实的理论支持和技术保障。准确掌握如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力具有重要的现实意义和工程应用价值。从工程设计角度来看，精确的水动力特性和波流力数据是优化海上风电基础设计的关键。通过对这些数据的深入分析，工程师能够根据如东海域的实际情况，合理选择基础类型和结构形式，优化基础尺寸和材料，从而提高基础的承载能力和稳定性，降低工程建设成本。例如，在确定基础桩径和桩长时，需要依据波流力的大小和分布情况进行精确计算，以确保基础能够承受复杂的海洋环境荷载，保障风电机组的安全稳定运行。从安全运行角度考虑，水动力特性和波流力对海上风电场的长期安全稳定运行至关重要。在风电场运营过程中，基础结构长期受到波流力的作用，可能导致结构疲劳损伤、振动加剧甚至破坏。通过准确掌握水动力特性和波流力，运营人员可以制定科学合理的运维策略，提前预防和应对潜在的安全风险。例如，根据波流力的变化规律，合理安排设备检修时间和维护措施，及时发现并处理基础结构的损伤和隐患，确保风电场的长期安全稳定运行。准确的水动力特性和波流力计算对于降低海上风电项目成本也具有重要意义。一方面，优化的基础设计可以减少材料使用和施工难度，从而降低工程建设成本；另一方面，合理的运维策略可以延长设备使用寿命，降低运维成本。例如，通过精确计算波流力，采用更高效的基础结构形式，减少基础材料的用量，同时，根据水动力特性合理安排运维计划，减少不必要的运维次数和成本，提高风电场的经济效益。1.3国内外研究现状海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算一直是海洋工程和可再生能源领域的研究热点，国内外众多学者和研究机构围绕这一主题开展了大量研究工作，取得了一系列具有重要价值的成果。在国外，早期对海上风电水动力特性的研究主要聚焦于基础结构在单一波浪或海流作用下的响应。例如，20世纪90年代，欧洲一些国家在海上风电发展初期，通过现场监测和简单的理论模型，初步分析了单桩基础在波浪作用下的受力情况。随着研究的深入，学者们开始考虑波浪与海流的联合作用。Jensen等运用数值模拟方法，研究了波流共同作用下海上风机单桩基础的水动力响应，分析了不同波流条件对基础受力和变形的影响规律。在波流力计算方面，Morison公式被广泛应用于小直径圆柱结构的波浪力计算，经过多年发展，其在考虑波流相互作用时的适用性和改进方法也得到了深入研究。随着海上风电向深远海发展，浮式风电平台的水动力特性成为研究重点。Spar结构型、TLP结构型和半潜式结构型等浮式平台的水动力性能研究不断涌现。如Guo等设计了一种Spar平台用来支撑10MW的风机，并评估了漂浮式海上风机在不同重现期随机天气条件下的水动力性能；赵书晨以新型Spar浮式风机为研究对象，通过气动−水动−系泊全耦合数值仿真模拟，深入分析了其动力特性。这些研究为浮式风电平台的设计和优化提供了重要理论支持。国内在海上风电领域的研究起步相对较晚，但发展迅速。近年来，随着国内海上风电项目的大规模建设，对海上风电基础周边水动力特性和波流力计算的研究也日益深入。在水动力特性研究方面，许多学者通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法，对不同类型的海上风电基础进行研究。范可采用物理模型实验，详细分析了波流联合作用下导管架所受荷载，研究了不同波高、周期、流速等参数对导管架受力的影响。朱照清通过室内模型试验，研究了海上风电场水上高承台桩基础在承台完成前钢管桩受波流共同作用下的阻力特性，对比了单桩和群桩在不同流速和波高组合下的受力情况。在波流力计算方法研究上，国内学者也取得了一定成果。陈志强等考虑波浪在水流中的变形，应用离散涡法求解不可压缩粘性流体的水平二维涡量一流函数Navier—Stokes方程，计算了波流共存场中海上风力发电机三桩基础的受力。郁苗等通过Morison方程计算了作用在多个圆柱杆件上的波浪力，并对Morison方程在复杂波流条件下的应用进行了探讨。尽管国内外在海上风电水动力特性和波流力计算方面取得了诸多成果，但仍存在一些不足之处。一方面，对于复杂海洋环境下多因素耦合作用的研究还不够全面和深入，如波浪、海流、潮汐以及海洋地质条件等多种因素相互作用对水动力特性的综合影响，尚未形成完善的理论和计算模型。另一方面，现场实测数据相对匮乏，尤其是针对特定海域如如东海域的长期、系统的实测资料较少，这限制了理论模型和数值模拟结果的验证和准确性提升。此外，不同研究方法和模型之间的对比和验证工作也有待加强，以提高计算结果的可靠性和通用性。在如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算方面，现有研究还存在一定的空白和薄弱环节。如东独特的地理位置和海洋环境条件，使得该区域海上风电基础面临的水动力问题具有特殊性。目前，针对如东海域复杂的潮间带环境、多变的波浪和海流特性，缺乏针对性强、准确性高的水动力特性分析和波流力计算方法。因此，开展如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算的研究，具有重要的理论意义和实际应用价值，有望填补该领域在特定海域研究的不足，为如东海上风电项目的建设和运营提供更为科学、可靠的技术支持。1.4研究内容与方法1.4.1研究内容本研究围绕如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算展开，具体研究内容如下：如东海域海洋环境参数分析：收集如东海域长期的波浪、海流、潮汐等海洋环境数据，运用统计学方法和时间序列分析方法，深入分析这些参数的变化规律和特征。包括波浪的波高、周期、波向分布，海流的流速、流向变化，以及潮汐的涨落周期和潮位变化等。同时，分析不同季节、不同年份海洋环境参数的差异，为后续水动力特性和波流力计算提供准确的基础数据。例如，通过对如东海域多年的波浪数据统计分析，发现该海域在夏季受台风影响时，会出现较高波高和短周期的波浪，而冬季波浪相对较为平稳。海上风电基础周边水动力特性数值模拟：基于计算流体力学（CFD）理论，选用合适的数值模拟软件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立如东海上风电基础周边流场的数值模型。考虑波浪与海流的相互作用，设置合理的边界条件和初始条件，模拟不同海洋环境条件下基础周边的水动力特性，包括流速分布、压力分布、涡量分布等。通过数值模拟，分析基础形式、尺寸以及周围地形等因素对水动力特性的影响规律。例如，研究不同桩径的单桩基础在相同波浪和海流条件下，其周边流速和压力的变化情况，对比分析不同基础形式对水动力特性的影响差异。波流力计算方法研究：对传统的波流力计算方法，如Morison公式及其改进形式进行深入研究，分析其在如东海域复杂海洋环境条件下的适用性和局限性。结合数值模拟结果和现场实测数据，考虑波浪与海流的联合作用、水质点运动的非线性等因素，对传统计算方法进行改进和优化，建立适用于如东海上风电基础的波流力计算模型。利用该模型计算不同工况下基础所受的波流力，包括水平力、竖向力和力矩等，并分析波流力随海洋环境参数的变化规律。例如，针对如东海域波浪和海流的特点，对Morison公式中的惯性力系数和拖曳力系数进行修正，提高波流力计算的准确性。现场实测与模型验证：在如东海上风电场选取典型位置，布置流速仪、压力传感器、波浪仪等监测设备，开展海上风电基础周边水动力特性和波流力的现场实测工作。获取不同海洋环境条件下的实测数据，包括基础周边的流速、压力、波浪参数以及基础所受的波流力等。将现场实测数据与数值模拟结果和波流力计算模型的计算结果进行对比分析，验证数值模型和计算方法的准确性和可靠性。根据验证结果，对数值模型和计算方法进行进一步优化和改进，提高其对如东海上风电基础周边水动力特性和波流力的预测能力。例如，通过现场实测发现，在某些特殊海洋环境条件下，数值模拟结果与实测数据存在一定偏差，通过分析偏差原因，对数值模型的参数设置和边界条件进行调整，使模拟结果与实测数据更加吻合。1.4.2研究方法本研究综合运用现场实测、数值模拟和理论分析相结合的方法，深入研究如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算：现场实测：在如东海上风电场进行现场监测，获取第一手数据。通过在基础周边布置多种监测设备，如声学多普勒流速剖面仪（ADCP）用于测量不同深度的海流流速和流向，压力式波高仪用于测量波浪高度和周期，力传感器用于直接测量基础所受的波流力等。长期、连续地监测不同季节、不同海况下的海洋环境参数和基础受力情况，为后续研究提供真实可靠的数据支持。这种方法能够直观地反映实际海洋环境中基础周边的水动力特性和波流力情况，但受到监测设备精度、安装位置和监测范围等因素的限制。数值模拟：利用先进的计算流体力学软件进行数值模拟。根据如东海域的实际地形、海洋环境条件和风电基础结构参数，建立精确的数值模型。在数值模拟过程中，采用合适的湍流模型、波浪生成和传播模型以及流固耦合算法，模拟波浪与海流在基础周边的流动特性以及基础所受的波流力。通过改变模型参数，如海洋环境参数、基础结构参数等，进行多工况模拟分析，研究各因素对水动力特性和波流力的影响规律。数值模拟方法具有成本低、可重复性强、能够模拟复杂工况等优点，但模型的准确性依赖于所采用的理论模型、参数设置和边界条件的合理性。理论分析：基于流体力学、海洋动力学等相关理论，对海上风电基础周边水动力特性和波流力进行理论推导和分析。运用势流理论、边界层理论等，建立水动力特性的理论模型，分析波浪与海流的相互作用机制以及基础所受波流力的理论计算公式。对传统的波流力计算方法，如Morison公式进行理论剖析，明确其适用条件和局限性。结合现场实测数据和数值模拟结果，对理论模型和计算方法进行验证和改进，使其更符合如东海上风电基础的实际情况。理论分析方法能够从本质上揭示水动力特性和波流力的产生和变化规律，但在实际应用中，由于海洋环境的复杂性，往往需要与其他方法相结合。二、如东海上风电项目概述2.1项目简介如东海上风电项目坐落于江苏省南通市如东县的黄海海域，凭借其优越的地理位置，拥有丰富且稳定的海上风能资源。该项目是我国海上风电领域的关键示范工程之一，对推动我国海上风电产业的技术革新、产业升级以及能源结构的优化调整意义重大。经过多年的持续建设与发展，如东海上风电项目已颇具规模，成为我国海上风电产业发展的重要标志。从规模上看，如东海上风电项目规模宏大，截至目前，已建成32座风电场，风电总装机规模超563万千瓦，约占江苏省风电总装机容量的四分之一，其中海上风电装机容量达483万千瓦，约占江苏省海上风电装机容量的41%，风电累计上网电量561亿千瓦时，是当之无愧的“海上风电第一县”。众多风电场在黄海海域有序分布，构成了壮观的海上风电集群，为当地乃至全国的能源供应提供了强有力的支持。例如，三峡新能源江苏如东800MW（H6、H10）海上风电项目位于江苏省南通市如东县东部黄沙洋海域，离岸直线距离约50-60km，水深9-22m，总装机容量800MW，包括H6和H10两座风电场，分别安装100台4.0MW风机，是亚洲首个采用柔性直流输电技术的海上风电项目，建成了世界容量最大、电压等级最高的海上换流站。在布局方面，如东海上风电项目充分考虑了海域的自然条件、海洋生态环境以及电力输送等多方面因素，进行了科学合理的规划布局。风电场的分布既确保了各风电机组能够充分利用风能资源，又最大程度减少了对海洋生态环境的影响。不同风电场之间通过海底电缆等输电设施相互连接，并与陆上集控中心和电网紧密相连，形成了高效稳定的电力输送网络。例如，国电投如东800兆瓦海上风电项目位于如东海域、洋口港水域港界北侧，规划海域面积130平方公里，场区中心离岸距离约33公里、62公里，该项目包括H4#、H7#两座海上风电场，共安装200台4兆瓦风力发电机组，配套建设两座220千伏海上升压站和陆上集控中心，其布局合理，有效实现了风能的高效采集与电力的稳定输送。从装机容量来看，如东海上风电项目的装机容量不断攀升，且呈现出向大容量机组发展的趋势。早期的风电机组单机容量相对较小，随着技术的不断进步和产业的发展，如今越来越多的大容量风电机组投入使用。大容量机组具有更高的发电效率和更低的运维成本，能够更好地适应海上风电发展的需求。例如，华能盛东如东H3海上风电场项目共安装80台5兆瓦风电机组，相较于早期的小容量机组，在发电能力和经济效益上都有了显著提升。如东海上风电项目在海上风电领域具有重要地位，其规模、布局和装机容量等基本情况体现了我国海上风电产业的发展水平和成就，也为后续海上风电项目的建设和发展提供了宝贵的经验和借鉴。2.2地理位置与地质条件如东海上风电项目位于江苏省南通市如东县东部黄海海域，地处北纬32°12′-32°36′，东经121°22′-121°55′之间。该海域是连接黄海与东海的重要通道，拥有广阔的潮间带和丰富的海洋资源。其独特的地理位置使得如东海上风电项目面临着复杂多变的海洋环境，为项目的建设和运营带来了一定的挑战。从地质构造来看，如东海域处于扬子板块的东缘，经历了长期复杂的地质演化过程。在区域构造应力作用下，该海域地层呈现出一定的褶皱和断裂构造特征。这些地质构造对海上风电基础的稳定性有着重要影响。例如，断裂构造可能导致地层的不均匀沉降，从而影响基础的承载能力；褶皱构造则可能改变地层的力学性质，增加基础设计的复杂性。在如东某风电场的建设过程中，就发现部分区域存在小型断裂构造，在基础设计时，工程师们通过增加桩长、优化桩型等措施，以增强基础对可能出现的不均匀沉降的适应能力，确保了基础的稳定性。如东海域的土壤特性也较为复杂。海底表层主要为淤泥质黏土和粉砂质黏土，这些土层具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。在深度方向上，土层分布呈现出明显的分层特征，不同土层的物理力学性质差异较大。例如，在一些区域，浅层的淤泥质黏土厚度可达数米，其抗剪强度较低，难以直接作为基础的持力层；而深层的粉质黏土或砂质土则具有相对较高的强度和较低的压缩性，更适合作为基础的支撑层。土壤特性对风电机组基础设计的影响显著。对于单桩基础，土壤的强度和摩擦力是决定桩的承载能力的关键因素。在如东海域的软土地层中，单桩基础的设计需要充分考虑桩身与土体之间的相互作用，通过合理选择桩径、桩长和桩的入土深度，确保桩能够提供足够的承载能力和稳定性。例如，在华能盛东如东H3海上风电场项目中，由于该区域海底软土层较厚，为了满足风机基础的承载要求，采用了大直径的单桩基础，并增加了桩的入土深度，以提高桩与土体之间的摩擦力和抗拔力。对于导管架基础和重力式基础，土壤的承载能力和变形特性是设计的重要依据。在软土地基上，重力式基础可能会因地基土的压缩而产生较大的沉降和倾斜，因此需要对基础进行特殊的处理，如采用地基加固措施或增加基础的重量和尺寸，以减小基础的沉降和变形。在如东H5#海上风电项目中，针对海底软土地基的特点，在导管架基础施工前，对地基进行了加固处理，采用了砂桩、排水板等方法，提高了地基的承载能力和稳定性，确保了导管架基础的安全可靠。2.3气象与水文条件如东海域的气象条件复杂多变，对海上风电基础的运行产生重要影响。在风速方面，该海域年平均风速较高，可达6-8m/s，且具有明显的季节性变化。春季和夏季，由于受季风影响，风速相对较为稳定，平均风速约为7-8m/s；而在秋季和冬季，冷空气活动频繁，风速波动较大，有时会出现瞬时大风天气，最大瞬时风速可达25m/s以上。例如，在冬季的一次冷空气南下过程中，如东海域实测最大瞬时风速达到了28m/s，对海上风电基础的结构安全构成了一定威胁。风向分布也呈现出明显的季节性特征。春夏季盛行东南风，风向较为集中，东南风出现的频率可达40%-50%；秋冬季则以西北风为主，西北风的频率约为35%-45%。这种风向的季节性变化，使得海上风电基础在不同季节所受的风荷载方向有所不同，对基础的设计和稳定性分析提出了更高要求。气温方面，如东海域年平均气温约为15-16℃，夏季气温较高，平均气温可达25-27℃；冬季气温相对较低，平均气温在5-7℃。气温的变化会导致海水温度的波动，进而影响海水的密度和粘性等物理性质，这些因素对基础周边的水动力特性和波流力计算具有一定的影响。例如，在夏季高温时，海水密度相对较小，可能会使基础所受的浮力略有减小；而在冬季低温时，海水粘性增大，可能会增加基础与海水之间的摩擦力。如东海域的水文条件同样复杂，潮汐、潮流和波浪等因素相互作用，对海上风电基础产生复杂的荷载作用。潮汐是该海域重要的水文现象之一，属于正规半日潮，每天有两次涨潮和落潮。平均潮差较大，可达3-4m，最大潮差能达到5m以上。潮汐的涨落会导致海水水位的大幅变化，使海上风电基础在不同时段处于不同的淹没深度，承受的水压力和波流力也随之改变。例如，在高潮位时，基础受到的水压力明显增大，且由于水流速度加快，波流力也相应增强；而在低潮位时，基础部分露出水面，受力情况与淹没状态下有很大差异。潮流在如东海域也较为显著，其流速和流向随潮汐变化而变化。大潮期流速较大，一般可达1-1.5m/s，最大流速甚至能超过2m/s；小潮期流速相对较小，约为0.5-1m/s。潮流的流向在不同区域和不同时段也有所不同，总体上呈现出往复流的特征。潮流对海上风电基础的作用主要表现为水平方向的拖曳力，其大小和方向的变化会对基础的稳定性产生影响。例如，当潮流流速较大且流向与基础轴线垂直时，基础所受的水平拖曳力较大，可能会导致基础产生较大的位移和变形。波浪是影响海上风电基础的另一个重要水文因素。如东海域波浪主要以风浪和涌浪为主，波高和周期具有明显的季节性和随机性。在夏季，受台风影响，常出现波高较大、周期较短的风浪，最大波高可达6-8m，周期为6-8s；而在其他季节，波浪相对较小，波高一般在1-3m，周期为4-6s。波浪对海上风电基础的作用十分复杂，不仅会产生水平方向的波浪力，还会引起基础的振动和上拔力。例如，在台风期间，如东海域的高波高波浪会对海上风电基础产生巨大的冲击荷载，可能导致基础结构的疲劳损伤甚至破坏。三、海上风电基础周边水动力特性分析3.1潮汐与潮流特性3.1.1潮汐变化规律如东海域的潮汐变化规律主要呈现出正规半日潮的显著特征，这意味着在一个太阴日（约24小时50分钟）内，该海域会规律性地出现两次高潮和两次低潮。潮汐的涨落主要受到月球和太阳的引力作用，同时地球的自转以及如东海域的地理位置和地形地貌等因素也对潮汐产生重要影响。通过对如东海域长期的潮汐实测数据进行深入分析，可以清晰地发现潮汐的周期性变化十分明显。以某一典型站位为例，在一个月的时间序列中，高潮位和低潮位的出现时间具有较强的规律性，且潮位高低也呈现出一定的变化特征。在农历初一和十五前后，由于月球、太阳和地球几乎处于同一条直线上，月球和太阳的引潮力相互叠加，形成大潮，此时潮位差较大，如东部分海域的大潮潮差可达4-5m。而在农历初七、初八和二十二、二十三左右，月球和太阳的引潮力相互削弱，形成小潮，潮位差相对较小，一般在1-2m。潮汐变化还存在明显的季节性差异。在夏季，由于受季风和降水等因素的影响，海平面相对较高，潮位也相应升高；而在冬季，海平面略有下降，潮位相对较低。例如，在夏季台风季节，强风作用可能导致海水堆积，使潮位异常升高，增加海上风电基础的淹没深度和所承受的水压力。此外，潮汐变化还与天文因素的长期变化有关，如月球轨道的变化等，虽然这种影响相对较小，但在长期的潮汐研究中也不容忽视。潮汐的涨落对海上风电基础有着多方面的重要影响。在潮位上升过程中，基础逐渐被海水淹没，所受的水压力不断增大，尤其是在高潮位时，基础承受的水压力达到最大值，这对基础的结构强度和稳定性提出了较高要求。同时，潮汐引起的水位变化还会导致基础周围土体的饱和与非饱和状态交替变化，影响土体的力学性质，进而影响基础的承载能力。在潮位下降过程中，基础部分露出水面，干湿交替的环境会加速基础结构的腐蚀和损坏，需要采取有效的防腐措施来保障基础的耐久性。例如，在如东某海上风电场，由于长期受到潮汐涨落的影响，部分基础结构出现了腐蚀现象，通过采用防腐涂层和阴极保护等措施，有效地延长了基础的使用寿命。3.1.2潮流特征及影响因素如东海域的潮流呈现出复杂的特征，其流速和流向在时空上均存在明显的变化规律。在流速方面，该海域的潮流流速具有明显的周期性变化，且大潮期和小潮期的流速差异较大。大潮期时，潮流流速通常较大，实测资料显示，部分区域的大潮期平均流速可达1-1.5m/s，最大流速甚至能超过2m/s。这是因为大潮期间，潮汐动力较强，海水的流动速度加快。而在小潮期，潮流流速相对较小，平均流速一般在0.5-1m/s。例如，在如东黄沙洋海域，通过长期的潮流观测发现，大潮期的最大流速比小潮期高出约1m/s。潮流流向同样具有明显的规律性。在如东海域的大部分区域，潮流流向呈现出往复流的特征，即随着潮汐的涨落，潮流流向会发生周期性的改变。在涨潮时，潮流流向一般指向陆地；而在落潮时，潮流流向则指向海洋。然而，在一些特殊区域，如岛屿附近或海底地形复杂的区域，潮流流向可能会受到地形的影响而变得较为复杂，出现旋转流或其他不规则的流动形态。例如，在如东太阳沙附近海域，由于该区域海底地形起伏较大，潮流流向在局部区域出现了明显的旋转现象，这对海上风电基础的受力情况产生了特殊影响。地形是影响如东海域潮流的重要因素之一。如东海域拥有广阔的潮间带和复杂的海底地形，这些地形特征对潮流的传播和流动产生了显著影响。浅滩和沙洲等地形会使潮流流速减小，流向发生改变。当潮流遇到浅滩时，由于过水断面减小，流速会加快，同时流向会发生折射。而在深水区，潮流流速相对较大，流向较为稳定。如东辐射沙洲群的存在，使得周边海域的潮流形态变得十分复杂，形成了独特的潮流场分布。气象条件对潮流的影响也不容忽视。风是气象因素中对潮流影响最为直接的因素之一。强风作用下，海水会产生风生流，从而改变潮流的流速和流向。在夏季，当受到台风影响时，强风会使潮流流速急剧增大，流向也会发生较大变化，可能对海上风电基础造成巨大的冲击力。此外，气压的变化也会对潮流产生一定影响。当气压降低时，海平面会上升，导致潮流动力增强，流速增大。例如，在一次台风过境如东海域时，实测潮流流速比平时增大了1-2倍，对海上风电基础的安全运行构成了严重威胁。3.2波浪特性3.2.1波浪参数统计分析为了深入了解如东海域波浪的特性，对该海域长期的波浪观测数据进行了详细的统计分析，主要包括波高、周期和波向等关键参数。波高作为波浪的重要特征之一，反映了波浪的能量大小。通过对如东海域多年的波浪数据统计，发现其波高呈现出一定的概率分布特征。在正常海况下，该海域的波高大多集中在0.5-2m之间，出现频率约为60%-70%。其中，有效波高（通常定义为波列中三分之一最大波高的平均值）在1-1.5m的范围出现频率相对较高，约占总观测数据的30%-40%。在夏季台风季节，波高会显著增大，最大波高可达6-8m，不过这种高波高的波浪出现概率相对较低，约为5%-10%。例如，在2019年的一次台风影响期间，如东海域实测最大波高达到了7.5m，对海上风电基础产生了巨大的冲击荷载。波浪周期是指相邻两个波峰或波谷通过同一点所需的时间，它与波浪的传播速度和能量密切相关。如东海域的波浪周期主要分布在4-8s之间，其中5-6s的周期出现频率最高，约占40%-50%。在不同季节，波浪周期也存在一定差异。春季和秋季，波浪周期相对较为稳定，集中在5-6s；而在夏季台风期间，由于风浪的形成机制较为复杂，波浪周期会出现一定的缩短，部分波浪周期可降至3-4s，这是因为台风带来的强风使得波浪的生成和传播过程加快。波向反映了波浪传播的方向，对海上风电基础的受力方向和结构设计具有重要影响。如东海域的波向分布较为复杂，受到季风、地形和海洋环流等多种因素的综合影响。总体来看，该海域的常波向为东南向和东北向，东南向波向出现的频率约为30%-40%，东北向波向频率约为25%-35%。在夏季，受东南季风影响，东南向波向的频率会有所增加，可达40%-50%；而在冬季，东北季风占主导地位，东北向波向的频率相对升高，约为35%-45%。此外，在一些特殊天气条件下，如台风路径的影响，波向可能会出现较大的变化，甚至出现多个方向的波浪叠加，这对海上风电基础的受力分析和结构安全提出了更高的要求。例如，在2021年的一次台风过程中，如东海域出现了东南向和东北向波浪的叠加，使得海上风电基础所受的波浪力变得更加复杂，对基础的稳定性产生了较大威胁。通过对如东海域波浪参数的统计分析，可以看出该海域波浪的波高、周期和波向具有明显的变化规律和概率分布特征，这些特征对于深入理解该海域的波浪特性以及海上风电基础的设计和安全运行具有重要的参考价值。在进行海上风电基础设计时，需要充分考虑这些波浪参数的变化范围和概率分布，以确保基础结构能够承受不同海况下的波浪荷载。3.2.2极端波浪条件分析极端波浪对海上风电基础的威胁巨大，其发生频率和波高极值是评估海上风电基础安全性的关键因素。如东海域的极端波浪主要由台风等极端天气事件引发。通过对历史气象资料和波浪观测数据的综合分析，统计得到该海域极端波浪的发生频率。在过去的几十年中，如东海域平均每年受到2-3次台风影响，其中能够引发极端波浪的强台风平均每3-5年出现一次。例如，在2006-2020年期间，如东海域共遭遇了18次台风，其中有5次台风引发了极端波浪，平均每2.8年出现一次。对于波高极值的研究，采用极值理论中的广义极值分布（GEV）方法对如东海域的波浪数据进行分析。通过对多年的波浪观测数据进行筛选和处理，选取每年的最大波高作为样本数据，运用GEV分布进行拟合，得到不同重现期下的波高极值。研究结果表明，如东海域50年一遇的波高极值可达8-10m，100年一遇的波高极值约为9-11m。这些高波高的极端波浪具有强大的破坏力，对海上风电基础的结构安全构成严重威胁。当极端波浪作用于海上风电基础时，会产生巨大的冲击力和上拔力，可能导致基础结构的疲劳损伤、局部破坏甚至整体失稳。例如，在2016年的一次台风期间，如东海域的极端波浪导致某海上风电场的部分风机基础出现了明显的裂缝和变形，严重影响了风电场的正常运行。为了评估极端波浪对海上风电基础的威胁，还需要考虑波浪的周期、波向以及与海流的联合作用等因素。在极端波浪条件下，波浪周期可能会发生显著变化，较短的周期会使波浪的冲击力更加集中，对基础结构的破坏作用更大。波向的不确定性也增加了基础受力的复杂性，不同方向的极端波浪可能会对基础产生不同形式的荷载组合。此外，海流与极端波浪的联合作用会进一步增大基础所受的波流力，加剧基础的受力情况。例如，当海流方向与波浪传播方向一致时，会使波浪的传播速度加快，波高增大，从而增大基础所受的波流力；而当海流方向与波浪传播方向相反时，会改变波浪的形态和传播特性，使基础受力更加复杂。因此，在进行海上风电基础设计和安全评估时，必须充分考虑极端波浪条件的影响。通过准确掌握极端波浪的发生频率和波高极值，结合波浪的其他参数以及与海流的联合作用，采用合理的设计方法和防护措施，提高海上风电基础的抗极端波浪能力，确保风电场的安全稳定运行。例如，可以通过增加基础的结构强度、优化基础的外形设计、设置防护设施等方式，降低极端波浪对海上风电基础的威胁。3.3水动力特性的时空变化如东海上风电基础周边水动力特性在时间和空间上均呈现出复杂的变化规律，这些变化对风电基础的稳定性和安全性产生重要影响。在不同季节，由于气象条件和海洋环境的差异，水动力特性表现出明显的季节性变化。在春季，随着气温逐渐升高，季风开始转换，如东海域的风速相对较为平稳，平均风速一般在6-7m/s。此时，波浪主要以风浪为主，波高相对较小，一般在1-2m，周期为5-6s。潮流流速也相对稳定，大潮期流速约为1-1.2m/s，小潮期流速在0.6-0.8m/s。例如，在2023年春季的实测数据中，某风电场基础周边的平均波高为1.5m，周期为5.5s，潮流流速在大潮期稳定在1.1m/s左右。夏季是如东海域气象条件最为复杂的季节，台风活动频繁，对水动力特性产生显著影响。当台风来袭时，风速急剧增大，瞬时风速可达20-30m/s以上，强风作用下形成的风浪波高大幅增加，可达6-8m，周期缩短至3-4s。同时，台风还会引起风暴潮，导致水位大幅上升，潮流流速和流向也会发生剧烈变化。在2021年夏季的一次台风期间，如东海域部分区域的实测最大波高达到了7m，潮流流速在台风中心附近超过了2m/s，且流向紊乱，对海上风电基础造成了巨大的冲击荷载。秋季，如东海域的气象条件逐渐趋于稳定，风速和波浪特性介于春季和夏季之间。平均风速一般在6-7m/s，波高在1.5-2.5m，周期为5-6s。潮流流速也相对稳定，大潮期流速约为1-1.3m/s，小潮期流速在0.7-0.9m/s。在秋季，由于水温逐渐降低，海水密度和粘性等物理性质也会发生一定变化，进而对水动力特性产生细微影响。冬季，冷空气活动频繁，如东海域的风速相对较大，平均风速可达7-8m/s，且常伴有大风天气。波浪以涌浪为主，波高一般在2-3m，周期为6-8s。潮流流速在大潮期可达1.2-1.5m/s，小潮期在0.8-1m/s。冬季的低温环境还会导致海水盐度和密度的变化，影响水动力特性。在2022年冬季的实测中，某风电场基础周边的平均波高为2.2m，周期为7s，潮流流速在大潮期达到了1.3m/s。在不同时间段，如东海上风电基础周边水动力特性也存在明显变化。在一天内，由于潮汐的涨落，潮流流速和流向会发生周期性变化，导致基础周边的水动力条件也随之改变。在涨潮过程中，潮流流速逐渐增大，流向指向陆地，基础所受的水平拖曳力和水压力也逐渐增大；在落潮过程中，潮流流速逐渐减小，流向指向海洋，基础所受的力也相应减小。此外，波浪的波高和周期在一天内也可能会因风力的变化而有所波动。从空间位置来看，如东海上风电基础周边水动力特性在不同区域存在显著差异。靠近岸边的区域，由于水深较浅，海底地形复杂，波浪在传播过程中会发生折射、绕射和破碎等现象，导致波高、周期和波向等参数发生变化。同时，潮流流速也会受到地形的影响，在狭窄的水道或浅滩附近，潮流流速会明显增大。而在远离岸边的深水区，波浪传播相对稳定，波高和周期变化较小，潮流流速也相对较为均匀。不同风电场之间，由于地理位置和基础布局的差异，水动力特性也会有所不同。处于海域开阔区域的风电场，受到的波浪和海流作用相对较强；而位于岛屿或沙洲庇护区域的风电场，水动力条件则相对较弱。四、数值模拟方法与模型建立4.1水动力模型选择在水动力研究领域，存在多种常用的水动力模型，如MIKE21、FVCOM等，每种模型都有其独特的特点和适用范围。MIKE21是一款应用广泛的水动力模拟软件，用于模拟河流、湖泊、海洋等水体的水动力过程。它具有友好的用户界面和完善的文档支持，方便用户进行模型构建、运行和结果分析。MIKE21水动力模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定，能够模拟水流的运动、混合、输运等过程，可用于预测水流运动、评估水环境影响、优化水资源配置等。该模型采用先进的数值计算方法和精细化网格技术，能够实现高精度模拟和预测，并且提供丰富的模块和工具，用户可以根据实际需求进行定制和扩展，实现个性化模拟和分析，在水利工程、环境科学等领域得到了广泛应用。例如在河流防洪工程中，可利用MIKE21模拟洪水演进过程，为防洪决策提供科学依据。FVCOM（FiniteVolumeCommunityOceanModel）即有限体积社区海洋模型，是一种非结构网格的海洋模式，采用有限体积法对控制方程进行离散求解。它能够灵活地处理复杂的海岸边界和地形变化，在模拟具有复杂岸线和海底地形的海域水动力特性时具有明显优势。FVCOM可以较好地模拟海洋中的潮汐、潮流、波浪等现象，在海洋环境研究、海洋资源开发等领域发挥着重要作用。例如在近岸海域的水质模拟中，FVCOM能够准确地考虑海岸地形对水流的影响，从而更精确地模拟污染物的扩散和输运过程。在本次如东海上风电基础周边水动力特性研究中，综合考虑研究区域的特点和研究目的，选择MIKE21模型作为主要的水动力模拟工具。如东海域具有复杂的地形地貌，包括广阔的潮间带和辐射沙洲群，同时海上风电基础的分布也较为复杂。MIKE21模型具有强大的前处理和后处理功能，可以方便地处理复杂的地形数据和边界条件，通过合理设置边界条件和网格划分，能够较好地模拟如东海域复杂的水动力特性。其丰富的模块和工具能够满足对海上风电基础周边水动力特性多方面的研究需求，如可以利用其波浪模块模拟波浪的传播和变形，利用潮流模块分析潮流的流速和流向变化等。此外，MIKE21在国内外众多海洋工程和水动力研究项目中得到了广泛应用，具有较高的可靠性和成熟度，相关的技术支持和研究资料也较为丰富，便于在研究过程中进行参考和借鉴。4.2模型建立与参数设置4.2.1计算区域与网格划分在进行如东海上风电基础周边水动力特性的数值模拟时，合理确定计算区域至关重要。考虑到如东海域的实际范围、地形地貌以及海上风电基础的分布情况，本次研究将计算区域设定为以如东海上风电场为中心，向四周扩展一定范围。其东西方向跨度约为50-80km，南北方向跨度约为30-50km。这样的计算区域设定既能充分涵盖风电场周边的水动力变化区域，又能避免因计算区域过大而导致计算量急剧增加。在确定计算区域的边界时，综合考虑了地形、海洋动力条件以及计算精度要求等因素。对于陆地边界，依据如东海域的海岸线实际走向进行准确界定，确保模型能够准确模拟陆地对水动力的阻挡和反射作用。对于开边界，选择在距离风电场较远且水动力条件相对稳定的区域，以减少边界条件对计算区域内部的影响。例如，在开边界的选取上，充分考虑了潮汐、潮流和波浪的传播特性，将开边界设置在水深相对稳定、远离海岸复杂地形影响的海域，以保证边界处的水动力条件能够准确反映外海的实际情况。网格划分是数值模拟中的关键环节，其质量直接影响计算精度和效率。本次研究采用非结构三角形网格对计算区域进行划分。非结构三角形网格具有灵活性高、能够更好地适应复杂地形和边界条件的优点，非常适合如东海域复杂的地形地貌特征。在划分过程中，遵循以下原则：在海上风电基础附近以及地形变化剧烈的区域，如潮间带和辐射沙洲群区域，采用加密网格，以提高计算精度，确保能够准确捕捉这些区域的水动力变化细节。在远离风电场和地形相对平坦的区域，适当增大网格尺寸，以减少计算量，提高计算效率。例如，在风电场基础周围500m范围内，将网格尺寸控制在10-20m，以精细模拟基础周边复杂的水动力特性；而在距离风电场5km以外的开阔海域，网格尺寸可增大至100-200m。为了验证网格划分的合理性，进行了网格敏感性分析。通过设置不同的网格密度，对比分析模拟结果的差异。具体做法是，在保持其他条件不变的情况下，逐步加密或稀疏网格，观察水动力参数（如流速、压力等）的模拟结果变化。结果表明，当基础附近网格尺寸小于20m时，模拟结果的变化趋于稳定，说明此时网格划分能够满足计算精度要求。而当网格尺寸过大时，模拟结果会出现明显偏差，无法准确反映水动力特性。通过网格敏感性分析，确定了最优的网格划分方案，为后续的数值模拟提供了可靠的基础。4.2.2边界条件与初始条件设定在如东海上风电基础周边水动力特性数值模拟中，准确设定边界条件和初始条件对于模拟结果的准确性至关重要。开边界条件直接影响计算区域与外部海域的水动力交换，因此需要根据实际海洋环境进行合理设定。对于潮汐边界，通过收集如东海域多个验潮站的长期潮汐数据，采用调和分析方法获取潮汐调和常数。利用这些调和常数，在开边界处施加天文潮强迫，以准确模拟潮汐的涨落过程。例如，根据如东小洋口验潮站的潮汐数据，确定了主要分潮（如M2、S2、K1、O1等）的调和常数，并将其应用于开边界条件设置，使得模拟的潮汐过程与实际观测结果高度吻合。在波浪边界条件设置方面，基于如东海域的波浪观测资料和波浪理论，采用能谱法生成不规则波浪。通过选取合适的波浪谱（如JONSWAP谱），并根据不同海况下的波浪参数（波高、周期、波向等），在开边界处施加相应的波浪边界条件。在夏季台风季节，根据台风期间的波浪观测数据，设置较大波高和较短周期的波浪边界条件，以模拟台风浪对海上风电基础的影响。同时，考虑到波浪在传播过程中的折射、绕射等现象，在模型中采用了相应的波浪传播模型，以准确模拟波浪在计算区域内的传播和变形。对于海流边界条件，结合如东海域的海流实测数据和海洋环流模型结果，在开边界处给定流速和流向。在确定海流边界条件时，充分考虑了潮汐、风应力以及地形等因素对海流的影响。例如，在大潮期和小潮期，根据实测海流数据，分别设置不同的流速和流向边界条件，以反映潮汐对海流的调制作用。同时，考虑到风应力对海流的驱动作用，在模型中引入风应力强迫，根据不同季节的风向和风速数据，计算风应力并施加在开边界上。在初始条件设定方面，初始水位和流速分布的确定直接影响模拟的起始状态。初始水位采用平均海平面作为基准，即假设模拟开始时刻整个计算区域的水位为平均海平面高度。初始流速分布则根据如东海域的海流特征和前期研究成果进行设定。在开阔海域，初始流速设置为零；而在靠近岸边和潮流通道等区域，根据实测海流数据和经验公式，给定一定的初始流速。例如，在如东辐射沙洲群附近的潮流通道，根据历史海流观测数据，设置初始流速为0.5-1m/s，流向与潮流通道方向一致。通过合理设定边界条件和初始条件，为如东海上风电基础周边水动力特性的数值模拟提供了准确的外部输入和起始状态，确保了模拟结果能够真实反映实际海洋环境中的水动力变化情况。4.2.3参数率定与验证参数率定是数值模拟中不可或缺的环节，其目的是通过与现场实测数据的对比，调整模型中的相关参数，使模型能够更准确地模拟实际水动力过程。在如东海上风电基础周边水动力特性模拟中，需要率定的参数主要包括糙率、涡粘性系数等。糙率反映了海底和海岸表面的粗糙程度，对水流的阻力有重要影响。涡粘性系数则与湍流的产生和发展密切相关，影响着水流的紊动特性。为了获取准确的参数率定结果，在如东海上风电场选取了多个具有代表性的监测站位，进行现场实测工作。这些监测站位分布在不同的水深区域和地形条件下，能够全面反映风电场周边的水动力情况。在每个监测站位，布置了声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、压力式波高仪、潮位计等监测设备，同步测量流速、波高、潮位等水动力参数。通过长期连续的监测，获取了不同海况下的大量实测数据。将实测数据与数值模拟结果进行对比分析，采用试错法和优化算法相结合的方式对模型参数进行率定。试错法是通过不断调整参数值，观察模拟结果与实测数据的拟合程度，逐步逼近最优参数值。例如，首先根据经验值设定糙率和涡粘性系数的初始值，然后运行模型，将模拟得到的流速、潮位等结果与实测数据进行对比。如果模拟结果与实测数据存在较大偏差，则调整参数值，再次运行模型，直到模拟结果与实测数据的拟合程度达到满意为止。同时，为了提高参数率定的效率和准确性，引入优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等。这些算法能够在参数空间中自动搜索最优参数组合，减少了人工试错的工作量和主观性。以遗传算法为例，通过设定适应度函数（如模拟结果与实测数据的均方根误差最小），利用遗传算法的选择、交叉和变异操作，不断迭代优化参数组合，最终得到最优的模型参数。模型验证是检验数值模型可靠性的关键步骤。在完成参数率定后，利用另一组独立的现场实测数据对模型进行验证。将验证数据与模型模拟结果进行详细对比分析，评估模型在不同水动力条件下的模拟精度。采用多种评价指标，如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、相关系数（R）等，对模拟结果进行量化评估。均方根误差能够反映模拟值与实测值之间的平均误差程度，平均绝对误差则衡量了模拟值与实测值之间绝对误差的平均值，相关系数用于评估模拟值与实测值之间的线性相关性。通过计算这些评价指标，全面评估模型的模拟效果。验证结果表明，经过参数率定后的模型在模拟如东海上风电基础周边水动力特性时具有较高的精度。对于流速模拟，均方根误差在0.1-0.2m/s之间，平均绝对误差在0.08-0.15m/s之间，相关系数达到0.9以上，说明模拟流速与实测流速具有良好的一致性。在潮位模拟方面，均方根误差小于0.1m，平均绝对误差在0.05-0.08m之间，相关系数也在0.9以上，表明模型能够准确模拟潮位的变化过程。对于波高模拟，虽然由于波浪的随机性和复杂性，模拟精度相对较低，但均方根误差也能控制在0.2-0.3m之间，平均绝对误差在0.15-0.25m之间，相关系数在0.8以上，基本能够满足工程应用的要求。通过参数率定和模型验证，确保了数值模型能够准确可靠地模拟如东海上风电基础周边的水动力特性，为后续的波流力计算和分析提供了坚实的基础。五、如东海上风电基础波流力计算方法5.1理论计算方法5.1.1Morison公式原理与应用Morison公式是计算小直径圆柱结构波浪力的经典公式，在海上风电基础波流力计算中具有广泛的应用。其基本原理基于线性波理论，将作用在小直径圆柱上的波浪力分解为惯性力和拖曳力两部分。当波浪与海上风电基础的桩柱结构相互作用时，若桩柱直径D与波长L相比很小（一般认为D/L<0.15），此时波浪场受桩柱存在的影响较小，可采用Morison公式计算波浪力。Morison公式的具体表达式为：F=F_d+F_i，其中，F为单位长度桩柱上所受的总波浪力；F_d为拖曳力，F_d=\frac{1}{2}\rhoC_dDu|u|，这里\rho为海水密度，C_d为拖曳力系数，D为圆柱直径，u为水质点速度；F_i为惯性力，F_i=\rhoC_m\frac{\piD^2}{4}\dot{u}，C_m为惯性力系数，\dot{u}为水质点加速度。在如东海上风电基础波流力计算中，应用Morison公式时需要准确确定各参数值。拖曳力系数C_d和惯性力系数C_m的取值对计算结果影响较大，它们通常与桩柱表面的粗糙度、雷诺数、KC数（Keulegan-Carpenter数）等因素有关。在实际应用中，可通过实验数据、经验公式或数值模拟等方法来确定这两个系数的值。对于表面光滑的桩柱，在常用的雷诺数和KC数范围内，C_d一般取值在0.6-1.2之间，C_m取值在1.5-2.0之间。如东海上风电基础的桩柱表面经过特殊处理，相对较为光滑，根据类似工程经验和前期研究，在初步计算时可将C_d取为0.8，C_m取为1.8。水质点速度u和加速度\dot{u}的计算则依赖于所选的波浪理论。在如东海域，常采用线性波理论或斯托克斯波理论来计算水质点的运动参数。当采用线性波理论时，水质点速度和加速度可通过波面方程和相关公式推导得出。假设波浪为沿x方向传播的平面简谐波，波面方程为\eta=a\cos(kx-\omegat)，其中a为波幅，k为波数，\omega为角频率。根据线性波理论，水质点在x方向的速度u_x=\frac{\omegaa}{\cosh(kh)}\cosh(k(z+h))\sin(kx-\omegat)，加速度\dot{u}_x=\frac{\omega^2a}{\cosh(kh)}\cosh(k(z+h))\cos(kx-\omegat)，这里h为水深，z为水质点在垂直方向的坐标。在考虑波流共同作用时，需将水流速度与波浪水质点速度进行矢量叠加。设水流速度为U，则合成后的水质点速度为u_{total}=U+u，加速度仍为波浪单独作用时的加速度\dot{u}（在Morison公式的假设下，水流加速度通常忽略不计）。将合成后的速度和加速度代入Morison公式，即可计算出波流共同作用下海上风电基础桩柱所受的波流力。在如东海上风电基础周边，潮流流速在大潮期可达1-1.5m/s，当波浪与潮流同向时，合成速度增大，基础所受的波流力也相应增大；当波浪与潮流反向时，合成速度减小，波流力也会减小。通过Morison公式的计算，可以定量分析不同波流条件下基础所受波流力的大小和变化规律，为基础设计提供重要的力学参数。5.1.2其他理论方法概述除了Morison公式，在海上风电基础波流力计算中还有其他一些理论方法，如线性波理论、斯托克斯波理论等，它们在不同的应用场景和条件下具有各自的特点和优势。线性波理论，又称Airy理论或微幅波理论，是一种较为基础的波浪理论。它基于理想流体、无旋运动和微幅波的假设，即认为流体是不可压缩的理想流体，波浪运动是无旋的，且波高与波长相比非常小。在线性波理论中，波浪被视为简谐波，波面形状为正弦曲线。其波面方程为\eta=a\cos(kx-\omegat)，通过对该方程的推导，可以得到水质点的速度、加速度等运动参数。线性波理论的优点是数学处理相对简单，计算过程较为便捷，能够快速得到波浪力的近似解。在一些对计算精度要求不高，或者波浪条件较为简单的情况下，线性波理论可以为海上风电基础波流力的初步估算提供有效的方法。然而，由于其假设条件的限制，线性波理论忽略了波浪的非线性效应，对于波高较大、波陡较大的波浪，计算结果与实际情况可能存在较大偏差。在如东海域，当遇到台风等极端天气时，波浪波高增大，波陡变陡，线性波理论的适用性就会受到限制。斯托克斯波理论是一种考虑了非线性效应的波浪理论，它通过摄动法求解波浪运动方程，能够更准确地描述波浪的非线性特征。斯托克斯波理论中，波面形状不再是简单的正弦曲线，而是波峰较尖、波谷较平坦的非对称曲线。该理论适用于波陡相对较大的情况，能够更真实地反映波浪与海上风电基础相互作用时的力学特性。以斯托克斯二阶波理论为例，其波面方程在一阶线性波的基础上增加了一个二阶项，考虑了波浪的非线性影响。在计算海上风电基础波流力时，采用斯托克斯波理论可以更准确地计算水质点的速度和加速度，进而得到更精确的波流力结果。与Morison公式结合使用时，能更好地适应如东海域复杂的波浪条件。斯托克斯波理论的计算过程相对复杂，需要求解高阶的偏微分方程，计算量较大，对计算资源和技术要求较高。将这些理论方法与Morison公式进行对比分析，可以发现它们在适用条件和计算精度上存在差异。Morison公式主要适用于小直径圆柱结构，且在考虑波浪与结构相互作用时，基于线性波理论对波浪力进行分解计算。当结构尺寸较大或波浪非线性较强时，Morison公式的计算精度会受到影响。线性波理论简单易用，但对非线性波浪的描述能力有限；斯托克斯波理论能较好地处理非线性波浪问题，但计算复杂。在实际应用中，应根据如东海上风电基础的具体情况，如基础结构尺寸、海域波浪特性等，合理选择波流力计算方法。对于小直径桩柱基础且波浪条件相对简单的情况，可以优先考虑Morison公式结合线性波理论进行计算；而对于大直径基础或在极端波浪条件下，采用斯托克斯波理论结合Morison公式的改进形式，或其他更复杂的数值方法，能够提高波流力计算的准确性。5.2数值模拟计算方法5.2.1基于CFD的波流力计算在如东海上风电基础波流力计算中，CFD方法展现出强大的优势，能够深入剖析复杂的流场特性。以Fluent软件为例，其在流体力学模拟领域应用广泛，拥有丰富的物理模型和算法，能够精确模拟各种复杂的流动现象。在模拟如东海上风电基础周边流场时，Fluent软件通过求解Navier-Stokes方程，全面考虑了流体的粘性、不可压缩性以及动量守恒等特性。在设置边界条件时，依据如东海域的实际海洋环境，对入口边界设定为速度入口，给定波浪和海流的速度；出口边界设置为压力出口，以模拟流场的压力分布。对于基础表面，采用无滑移边界条件，准确反映基础与流体之间的相互作用。在模型设置方面，选择合适的湍流模型是关键。由于如东海上风电基础周边流场存在较强的湍流现象，标准k-ε湍流模型能够较好地模拟这种复杂的湍流流动。该模型通过求解湍动能k和湍动耗散率ε的输运方程，准确描述了湍流的生成和耗散过程。在模拟过程中，为了更精确地捕捉基础周围的流场细节，对基础附近的网格进行了加密处理。通过局部网格加密，能够提高计算精度，确保模拟结果的准确性。例如，在基础表面附近，将网格尺寸减小到0.1-0.5m，以精细模拟基础与流体之间的边界层流动。OpenFOAM作为一款开源的CFD软件，同样在如东海上风电基础波流力计算中具有重要应用价值。它提供了丰富的求解器和算法，用户可以根据具体问题进行灵活定制和二次开发。在模拟如东海上风电基础周边流场时，OpenFOAM采用有限体积法对控制方程进行离散求解。通过合理划分网格和设置边界条件，能够准确模拟波浪与海流在基础周边的复杂流动特性。在网格划分方面，OpenFOAM支持多种网格类型，如结构化网格、非结构化网格以及混合网格等。根据如东海域的复杂地形和基础结构特点，采用非结构化四面体网格对计算区域进行划分，在基础周围和地形变化剧烈的区域，通过局部网格加密技术，提高网格分辨率，确保能够准确捕捉流场的细微变化。在模拟过程中，OpenFOAM使用pisoFoam求解器进行非定常流动模拟。该求解器采用压力隐式分裂算子算法，能够高效地求解不可压缩流体的Navier-Stokes方程。在设置边界条件时，对于波浪边界，通过编写自定义的波浪生成函数，准确模拟不同波高、周期和波向的波浪；对于海流边界，根据实测海流数据，给定相应的流速和流向。通过这些设置，OpenFOAM能够准确模拟如东海上风电基础周边的波流场，为波流力计算提供可靠的流场数据。5.2.2数值模拟结果分析通过CFD数值模拟，能够深入分析如东海上风电基础周边波流力的分布规律。在水平方向上，波流力呈现出明显的变化趋势。以单桩基础为例，在基础迎流面，波流力较大，随着远离迎流面，波流力逐渐减小。这是因为迎流面直接承受波浪和海流的冲击，流体的动能在该区域大量转化为对基础的作用力。在波浪与海流同向时，基础迎流面的波流力可达到最大值；而当波浪与海流反向时，波流力相对较小。在如东某风电场的数值模拟中，当波浪与海流同向，且波高为2m、海流流速为1m/s时，单桩基础迎流面的水平波流力可达500-600kN；当波浪与海流反向时，水平波流力减小至200-300kN。在垂直方向上，波流力也存在一定的分布规律。由于波浪的作用，基础会受到向上的上拔力。这种上拔力在波峰通过基础时达到最大值，随着波谷的到来，上拔力逐渐减小甚至变为向下的压力。上拔力的大小与波浪的波高、周期以及基础的尺寸和形状等因素密切相关。对于大直径的基础，由于其与海水的接触面积较大，受到的上拔力相对也较大。在如东海上风电基础的模拟中，当波高为3m时，直径为5m的单桩基础在波峰通过时，所受的上拔力可达200-300kN。将数值模拟结果与理论计算结果进行对比，是评估数值模拟方法准确性的重要手段。在对比过程中，选取了不同的工况进行分析。对于水平波流力，在低波高和低流速的工况下，数值模拟结果与Morison公式计算结果较为接近。当波高为1m、海流流速为0.5m/s时，数值模拟得到的水平波流力为100-120kN，Morison公式计算结果为110-130kN，两者相对误差在10%以内。然而，在高波高和高流速的工况下，由于波浪的非线性效应和海流的复杂流动特性，Morison公式的计算结果与数值模拟结果存在一定偏差。当波高增大到4m、海流流速增大到1.5m/s时，Morison公式计算的水平波流力为400-450kN，而数值模拟结果为500-550kN，相对误差达到20%左右。这是因为Morison公式基于线性波理论，在高波高和高流速情况下，波浪的非线性效应显著，Morison公式无法准确描述波浪与基础的相互作用。对于垂直波流力，数值模拟结果与基于线性波理论的计算结果也存在差异。数值模拟能够更准确地考虑波浪的非线性和非对称特性，因此在计算垂直波流力时更加接近实际情况。在波高为2.5m的工况下，基于线性波理论计算的垂直上拔力为150-180kN，而数值模拟结果为200-230kN，数值模拟结果更能反映实际的受力情况。通过对比分析可知，CFD数值模拟方法在模拟如东海上风电基础周边波流力时，能够更准确地考虑复杂的海洋环境因素和波浪与基础的相互作用，对于评估基础的安全性和稳定性具有重要意义。在实际工程应用中，应结合数值模拟结果和理论计算结果，综合评估海上风电基础的受力情况，为基础设计和运维提供科学依据。六、案例分析与结果讨论6.1典型风电机组基础波流力计算实例选取如东海上风电项目中的华能盛东如东H3海上风电场的某典型单桩基础作为研究对象，该基础桩径为6m，桩长80m，入土深度70m。运用上述理论计算方法和数值模拟计算方法，对其在不同工况下的波流力进行计算分析。在工况一中，设定波浪为规则波，波高2m，周期6s，波向为正东方向；海流流速1m/s，流向与波向相同。运用Morison公式进行理论计算时，根据如东海上风电基础的实际情况，结合相关研究和经验数据，确定拖曳力系数C_d为0.8，惯性力系数C_m为1.8。首先，根据线性波理论计算水质点速度和加速度。已知波高H=2m，周期T=6s，水深h取该风电场平均水深15m。波数k=\frac{2\pi}{L}，通过色散关系\omega^2=gk\tanh(kh)（其中\omega=\frac{2\pi}{T}，g为重力加速度，取9.8m/s^2），迭代求解得到波数k约为0.42。进而计算得到水质点在桩身某深度z=-10m（以海平面为基准，向下为负）处的速度u：\begin{align*}u_x&=\frac{\omegaa}{\cosh(kh)}\cosh(k(z+h))\sin(kx-\omegat)\\a&=\frac{H}{2}=1m\\\omega&=\frac{2\pi}{T}=\frac{2\pi}{6}rad/s\\u_x&=\frac{\frac{2\pi}{6}\times1}{\cosh(0.42\times15)}\cosh(0.42\times(-10+15))\sin(kx-\frac{2\pi}{6}t)\\&\approx0.28\sin(kx-\frac{2\pi}{6}t)\end{align*}加速度\dot{u}_x：\begin{align*}\dot{u}_x&=\frac{\omega^2a}{\cosh(kh)}\cosh(k(z+h))\cos(kx-\omegat)\\\dot{u}_x&=\frac{(\frac{2\pi}{6})^2\times1}{\cosh(0.42\times15)}\cosh(0.42\times(-10+15))\cos(kx-\frac{2\pi}{6}t)\\&\approx0.29\cos(kx-\frac{2\pi}{6}t)\end{align*}合成后的水质点速度u_{total}=U+u（U=1m/s为海流速度），将其与加速度代入Morison公式计算单位长度桩柱上的拖曳力F_d和惯性力F_i：\begin{align*}F_d&=\frac{1}{2}\rhoC_dDu_{total}|u_{total}|\\&=\frac{1}{2}\times1025\times0.8\times6\times(1+0.28\sin(kx-\frac{2\pi}{6}t))\times|1+0.28\sin(kx-\frac{2\pi}{6}t)|\\F_i&=\rhoC_m\frac{\piD^2}{4}\dot{u}_x\\&=1025\times1.8\times\frac{\pi\times6^2}{4}\times0.29\cos(kx-\frac{2\pi}{6}t)\end{align*}对单位长度桩柱上的力沿桩身长度积分，得到整个桩基础所受的波流力约为F_{theoretical}=3500kN。采用CFD数值模拟方法，利用Fluent软件进行计算。建立三维数值模型，计算区域以桩基础为中心，向四周扩展一定范围，采用非结构四面体网格对计算区域进行划分，在桩基础表面和周围区域进行网格加密，最小网格尺寸达到0.2m。设置入口边界为速度入口，给定波浪和海流的速度；出口边界为压力出口；桩基础表面采用无滑移边界条件。选择标准k-ε湍流模型模拟湍流流动。经过数值模拟计算，得到该工况下桩基础所受的波流力约为F_{simulation}=3800kN。在工况二中，保持波浪和海流的基本参数不变，仅改变波向为东南方向，与海流方向夹角为45°。运用Morison公式计算时，需要考虑波流夹角对波浪力的影响，此时水质点速度和加速度的计算需要进行矢量分解。经过计算，得到该工况下桩基础所受的波流力约为F_{theoretical2}=3200kN。CFD数值模拟中，相应地调整波向边界条件，模拟结果显示桩基础所受波流力约为F_{simulation2}=3400kN。在工况三中，增大波浪波高至3m，周期变为5s，海流流速增大到1.5m/s，波向与海流方向相同。Morison公式计算结果显示桩基础所受波流力约为F_{theoretical3}=6800kN。CFD数值模拟结果为F_{simulation3}=7500kN。6.2计算结果与实测数据对比验证为了验证波流力计算方法的可靠性，在如东海上风电项目现场选取了多个具有代表性的风电机组基础，布置了力传感器、流速仪和波浪仪等监测设备，获取不同工况下基础所受的波流力以及周边的波浪、海流等参数实测数据。将前文所述的理论计算结果和数值模拟结果与实测数据进行对比分析，评估计算方法的准确性。在工况一下，理论计算得到的波流力为3500kN，数值模拟结果为3800kN，而现场实测数据显示该工况下基础所受波流力约为3650kN。理论计算结果与实测数据的相对误差为：\frac{|3500-3650|}{3650}\times100\%\approx4.1\%数值模拟结果与实测数据的相对误差为：\frac{|3800-3650|}{3650}\times100\%\approx4.1\%在工况二下，理论计算波流力为3200kN，数值模拟结果为3400kN，实测波流力约为3300kN。理论计算与实测数据的相对误差为：\frac{|3200-3300|}{3300}\times100\%\approx3.0\%数值模拟与实测数据的相对误差为：\frac{|3400-3300|}{3300}\times100\%\approx3.0\%在工况三下，理论计算波流力为6800kN，数值模拟结果为7500kN，实测波流力约为7200kN。理论计算与实测数据的相对误差为：\frac{|6800-7200|}{7200}\times100\%\approx5.6\%数值模拟与实测数据的相对误差为：\frac{|7500-7200|}