潮流能水轮机尾流场对近海工圆桩基础冲刷防护影响的模拟分析

潮流能水轮机尾流场对近海工圆桩基础冲刷防护影响的模拟分析

薛竣中1 ,韩飞2 ,喻旭明1

1.中国广核新能源控股有限公司浙江分公司；2.杭州本创科技有限公司

摘要：本文采用CFD法建模，对潮流能水轮机尾流场进行数值动态模拟，计算分析了潮流能水轮机尾流场在以近海海工风电、桥梁圆柱基础为参照对象的圆柱模型中的冲刷防护影响，在定床数值分析中，潮流能水轮机尾流作用使圆桩迎流两侧流速增长幅度有所降低，且同时圆桩后方尾涡形成也受到了抑制和干扰。潮流能水轮机尾流场作用的剪切模拟分析表明，利用潮流能水轮机在近海工圆桩基础的排布，可以对圆桩基础进行有效的冲刷防护，潮流能水轮机的尾流冲刷防护优势显著。

关键词：潮流能、水轮机、尾流、冲刷防护、模拟、剪切应力

在近海区域建造的风电、跨海大桥以及海上平台等近海工程的基础结构因为面对海洋中水流、波浪和潮汐的综合作用，容易受到水流、潮流的冲刷影响，存在一定的安全隐患。近年来，由冲刷带来的基础结构安全问题越来越受到重视，影响冲刷的主要因素有水流形态、基础形式、床沙组成和床底形态等。在潮流能富集区，如浙江的舟山和杭州湾地区，强劲的潮流作用给海上的建筑物带来了严重的冲刷问题，于2005年建成的杭州湾东海大桥在桥墩海床的扫描结果中显示大部分基础周已出现了明显冲刷现象，桥墩普遍冲深在5m～10m，因此冲刷破坏现象对结构安全造成了严重威胁[1,2]。

基础结构的局部冲深因素和冲刷机理主要是由迎水面受阻偏转形成的马蹄涡和尾涡带动剧烈淘刷，以及两侧高速绕流引起的泥沙扰动现象引起的。潮流能发动机是将潮流动能转化成电能，潮流在经过发电叶轮后，可形成叶片后方位的低流速尾流区，通过适当的布置，能够使基础结构在尾流掩护区内，降低马蹄形涡和尾涡强度以及局部流速，进而减缓基础结构局部冲刷[3-5]。目前，针对水轮机尾流场的研究主要在优化水轮机组阵布局上，对于尾流场与结构物的相互作用关系研究较少[6,7]。本文通过以圆桩基础为参照目标的CFD法建模，对潮流能水轮机的尾流场速度分布以及圆桩附近创面剪切应力的数值模拟，分析得到在水轮机尾流场中叶轮形状和叶片水动力结构对圆桩基础的影响作用，以期对尾流冲刷防护提供一定的理论依据。

1  潮流能发电机组尾流冲刷防护机理分析

    在海上风电机组基础建成后，在水流、波浪和潮汐等综合作用下，水体粒子的运动会受到显著影响。风机基础的前方会形成前下降水流，同时基础圆柱周围会形成一系列涡旋脱落（马蹄涡、卡门涡街），而且两侧流线收缩还会产生告诉流动，如图5.1所示。这种局部流态的改变，会增加水流对流床的剪切应力，从

图5.1 桩基周围流场形态示意图

而导致水流挟沙能力的提高。因此，若床底是易侵蚀的，则基础局部会形成冲刷坑，影响基础稳定性。

目前对局部冲刷机理和影响因素已获得较多研究，特别是单向水流情况目前已形成了一些经验冲刷深度公式。而对于往复潮流中的局部冲刷情况，虽与单向情况有所不同，但也进行了专门研究，如韩海骞的杭州湾大桥桥墩局部冲刷对比试验、卢中一的苏通大桥以及徐群对瓯江二桥的研究等[8-10]。在海上风电工程常用到韩海骞公式如下：

式中，hb为潮流作用下基础结构的最大局部冲刷深度（m）；h为全潮最大水深（m）；B为全潮最大水深条件下平均阻水宽度（m）；d50为床面泥沙的平均中值粒径（m）；k1、k2为基础桩布置系数；Fr为水流Froude数，，u为全潮最大流速（m/s），g为重力加速度（m/s2）。从中可以看出，最大局部冲刷深度同全潮最大流速正相关。由于尾流区流速低于来流流速，当基础结构置于潮流能机组尾流区域内时，低速尾流将降低基础周边的马蹄形涡、尾涡强度及局部流速，从而减少基础结构的局部冲刷程度。而圆弧形截面形式的基础结构其后方尾流区影响范围相对较短，因此，可以基础结构尾流对水轮机运转影响较小时，在反流向上减小对水轮机运行状态的影响，使潮流能水轮机双向获能和尾流冲刷防护得到兼顾平衡。

目前，潮流能水轮机尾流场的研究方法主要采用直接法和近似研究法。利用模拟技术进行建模分析，对水轮机尾流场作用范围流速分布，进而优化水轮机的组阵排布已有较多研究。然而，未有充分研究对水轮机尾流场与结构相互作用关系进行深入分析。

2  潮流能水轮机尾流场数值模拟分析

本文采用CFD法，对叶轮进行建模，应用数值模拟方式第机组尾流场进行分析。建模软件选用Ansys Fluent，设置采用120kW潮流能机组原型，叶轮直径取D=8m，为提高计算效率不对机身进行建模，叶轮模型如图5.2所示。

图5.2 叶轮建模模型图

在建模中，以长方体计算域，水深方向长度按照低潮位情况设10m，水轮机置于中部，计算域垂直流向方向长度为8D，顺流向方向长度为18D，其中水轮机叶轮距上游边界3D，距下游边界15D、上游边界采用velocity inlet，入口流速2m/s，下游边界pressure outlet，叶轮叶片、海底均设定无滑移墙，其余均为对称边界，如图5.3所示。为了模拟潮流能叶轮转动，设定包裹潮流能叶轮的圆形区

图5.3 计算域设定图

域为旋转域，并采用嵌套网格方法使旋转域以指定速度旋转模拟潮流能叶轮转动。

已知CP为水轮机输出能量与水轮机旋转面来流动能的比值，可表征水轮机的能量转换效率，尖速比λ则表征水轮机运行状态。在水轮机正常工作状态下，λ与CP的相对关系基本稳定，是水轮机的基础属性之一。水轮机λ与CP关系曲线如图5.4所示，可以看到水轮机在尖速比λ=6附近有最大获能效率，与拟采用机组实际情况一致。

图5.4 水轮机λ与CP关系曲线

实际工作情况中通常将水轮机尖速比控制在最优获能尖速比附近，因此在尾流场模拟过程中以尖速比6设定水轮机转速。结果稳定后，提取水轮机轴心高度水平面，得到水轮机尾流场速度云图如图5.5所示。图中可以看到水流流经水轮机后流速急剧减小，低流速区域向下游延伸并逐渐恢复。图5.6所示为水轮机旋转轴线上的流速分布，Y轴坐标为流速，X轴坐标为顺流向方向位置，其中水轮机叶轮旋转平面处于0点。由图中可以看到，来流流速在叶轮上游方向随着向叶轮接近而逐渐略微降低，并在靠近叶轮后迅速下降。在叶轮后方约2倍叶轮直径距离后流速迅速恢复至来流流速的一半，其后流速恢复速度减缓并向后方延伸。

图5.5 水轮机尾流场流速云图

图5.6 水轮机旋转轴线流速分布

提取叶轮旋转平面下游不同距离处流速分布，如图5.7所示。由图中可以看到，在垂直流向方向，流速衰减区域略微大于水轮机直径，流速衰减程度沿旋转轴心向两侧逐渐降低。距离叶轮旋转平面下游8D距离范围以内叶轮区域的流速恢复情况较为接近，距离大于10D后流速恢复加快。在与叶轮旋转平面距离小于8D，围绕轴线约3m半径范围内，流速衰减程度不低于40%。因此，由分析可知，如以有效利用潮流能机组低速尾流为目的，应将相应下游结构物布置在叶轮下游8D距离范围内。

图5.7 叶轮旋转平面下游不同位置速度分布

3  尾流冲刷防护定床数值模拟分析

圆桩形式基础是海上风电、跨海桥等近海工程的代表性结构，以圆桩结构作为研究参照，在不考虑地形因素和水轮机支撑结构影响下，泥沙运动和海底床面剪切应力的关系应当是十分紧密的，因此床面剪切应力对泥沙运动研究是动态分析冲刷形态的重要方法。以定床数值模拟，对不同水轮机尾流影响情况下的圆柱基础附近创面切应力变化进行分析：当涨落潮流存在明显区别时，冲刷坑深度取决于最强动力因素，应将潮流能水轮机单向布置在圆柱基础强流向上游一侧，以削弱较强方向来流。对海床水流切应力和冲刷坑形态产生影响的因素，流速v、潮流能水轮机半径R、基础结构半径r、水轮机与基础结构的距离d和水轮机相对海床的安装高度h等如图5.8示意图所示。

图5.8 影响参数示意图（左）正视角（右）侧视角

进行数值模拟建模，计算域为长方体，整体水深为10m，水轮机叶轮直径8m，来流流速2m/s，圆桩基础直径参考单桩海上风电基础取为6m，建模计算域图如图5.9所示。

图5.9 定床数值模拟建模计算域设定

以水轮机旋转平面与圆桩基础距离d的变化进行影响因素分析。取d=32m、d=40m、d=48m进行数值模拟，待流态稳定后，以潮流能叶轮旋转轴高度处取水平截面，如图5.10所示。取d=40m，可以发现无潮流能叶轮尾流作用，圆桩基础上游和下游区域流速降低，在迎流面两侧存在较为明显的高流速区域；有潮流能机组叶轮尾流作用于圆桩基础时，圆桩上下游低流速区域范围明显增加，同时圆桩迎流面两侧流速显著减弱，减幅可达到19%。

（a）无尾流作用圆桩                    （b）d=40m有尾流作用圆桩

图5.10 叶轮旋转轴高度水平截面单圆桩基础结构附近流场速度云图

当来流与圆桩基础相互作用时，圆桩周围流场发生变化，也使海底床面切应力发生变化。从本质上来说，床面切应力的局部增大是造成局部冲刷的直接原因。因此提取单圆桩基础有无潮流能叶轮尾流作用时床面切应力变化情况进行分析，如图5.11所示。从图5.11 (a)中可以看到，没有尾流作用时，圆桩附近床面切应力增大主要集中在圆桩迎流斜前侧和后方区域，对应圆桩迎流两侧高流速及后方尾涡脱落区域。当有潮流能叶轮尾流作用在圆桩基础上时（图5.11（b）、（c）、（d）），圆桩迎流斜前侧区域仍有较为明显的切应力增大现象，但增长幅度与无尾流作用时相比略有减小，而圆桩后方区域的切应力有明显减弱。因此可以得到，在尾流作用下，圆桩迎流面两侧的流速增长幅度有所降低，同时圆桩后方尾涡的形成受到了干扰。

（a）无尾流作用圆桩                      （b）d=32m有尾流作用圆桩

（c）d=40m有尾流作用圆桩                 （d）d=48m有尾流作用圆桩

图5.11 不同距离有无尾流作用时圆桩附近床面切应力变化情况

在实际情况中，尾流作用下圆桩前端迎流面附近冲刷减缓，在后方区域的冲刷坑深度将较大降低。同时，局部冲刷是一个动态过程，圆桩周围流场形态随冲刷坑发展持续发生变化，在最终态达到冲刷平衡。

4  结论

本文基于潮流能机组尾流对近海工基础结构冲刷防护影响相关性的研究目的，通过CFD法，采用Ansys Fluent对120kw潮流能机组进行尾流场速度云图建模，并在定床条件下进行数值模拟分析，研究表明：流体经水轮机后流速急剧减少，低流速下游延伸并逐渐恢复，在距离水轮叶片2D的下游距离外流速迅速恢复至来流流速一半。在垂直流向方向，流速衰减沿轴心向辐射向逐渐降低，且在8D范围内流速恢复接近，超过10D则流速恢复加快。在水轮下游不同距离的尾流分布场中，床面剪切应力在圆桩模型后方区域有明显减弱现象，且迎流面斜前侧增幅较无尾流作用较小，尾涡的形成也收到干扰，因此可以得到，潮流水轮机在冲刷防护中叶轮尺寸与水动力结构存在相互作用关系，水轮机尾流与基层结构的相互作用决定防护冲刷效果。

参考文献

[1] 陈述. 东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究[J]. 世界桥梁, 2019,47(04): 17-21.

[2] 郭兴杰, 王寒梅, 史玉金, 等. 上海东海大桥周围海床演变与失稳风险研究[J]. 泥沙研

究, 2019,44(01): 52-58.

[3] 朱炳祥. 国外桥墩局部冲刷计算研究的主要成果与进展[J]. 国外公路, 1985(05): 49-57.

[4] 周玉利,王亚玲. 桥墩局部冲刷深度的预测[J]. 西安公路交通大学学报, 1999(04): 48-50.

[5] 李奇, 王义刚, 谢锐才. 桥墩局部冲刷公式研究进展[J]. 水利水电科技进展, 2009,29(02):

85-88.

[6] 张玉全，郑源等. 基于致动盘的潮流能水轮机尾流场研究[J]. 可再生能源，2019(037):

144-150.

[7] 王树杰，姜雪英等. 偏航工况下潮流能水轮机性能及尾流场特性分析[J]. 中国海洋大学

学报(自然科学版), 2019(049(012): 122-133.

[8] 韩海骞. 潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D]. 浙江大学, 2006.

[9] 卢中一, 高正荣, 黄建维, 等. 苏通长江公路大桥桥墩基础的局部冲刷: 中国海洋工程学

术讨论会[C], 2011.

[10] 徐群李浩麟. 瓯江二桥主桥墩局部冲刷试验研究[J]. 水利水运科学研究,

1998(02): 156-163.

作者简介:

薛竣中，1991年生，32岁，工程师，水利工程专业，现从事新能源行业。