海底地质过程模拟 -海底地质过程模拟实验报告

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在全球陆地资源日益紧张的局面下，海洋资源凭借着巨大空间和节能环保的优势成为经济建设的重要一环，海上风电场就是海洋新能源的标杆和重点领域。

01研究背景

海上风电场能有效提高能源采集率，推动节能减排，却需要耗费高额成本去建设和维护。海上风电场桩基不仅需要在高咸度的海水中支撑数十年，还要经受水流的冲击、泥沙的堆积。而制定合适的桩基维护策略可以有效延长桩基使用寿命，降低维护成本。所以通过模拟海上风电场的海底形态变化，了解海上风电场海岸水动力和形态动力学，为桩基维护策略提供技术支持十分重要。

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02软件介绍

TELEMAC-MASCARET是法国电力集团（EDF）的法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学和水文学领域的高性能数值仿真开源软件。基于有限元法，使用不规则三角网格，让复杂的海岸线和河口的描绘更为精确。该软件可以构建1D，2D和3D水动力学模型以解决波浪传播, 波浪振动特性，水质污染，泥沙输运和海床形态变化等问题，拥有丰富的用户技术支持和广泛的工业应用及验证。

03模型建立

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本案例将利用TELEMAC-MASCARET的TELEMAC3D 三维水动力学模块并设置LES湍流模型耦合SISYPHE泥沙输运模块，来构建海岸形态动力模型。传统的RANS湍流模型无法有效地描述紧靠单桩的湍流的产生和消散以及整个海上风电场大规模尾迹。为了满足稳定性标准，计算时间步长必须很小，这限制了RANS模型长期模拟的能力。因此，本研究拟用大涡模拟(LES)替代RANS湍流模型，并研究其远场模拟的性能和精度，进而证明TELEMAC-MASCARET具有预测海上风电场桩基周围的水流和泥沙输移的能力。

水动力学模型

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首先基于过往的实验数据对TELEMAC3D +LES的模型进行了验证。设置50米长，4米宽的研究区域。假定床层是平的，固定深度为0.54 m。直径为0.53米的圆柱体放置在入口下游13米处。研究区域的三维网格每层的二维单元共282740个，纵向划分20层。

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网格的俯视图模型分别验证了光滑床层和粗糙床层的情况。设置雷诺数为1.7×105，水深入口流速 0.326 m/s。实验表明，该模型可以较好地模拟单桩实验的流场。

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光滑床层的模拟结果与实验结果对比

然后将该模型用于爱尔兰东部海域利物浦湾的远场模拟，该海域有Burbo Bank、North Hoyle和Rhyl Flats三个海上风电场，分别由25、30和25个单桩风机组成。三维网格水平划分为323830个三角形单元，纵向划分15个水平层。三角形单元大小从桩基附近的0.4 m到远场边界上的5500 m不等。

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利物浦湾网格模型

泥沙运输模型

泥沙输移采用粒径为0.23mm的推移质，使用梅耶尔-彼得输移公式求解输沙率。

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04模拟结果

基于利物浦港的Burbo Bank风电厂的模型，模拟了为期30天的大小潮流场，并结合sisyphe模拟了风电场海底7天内的泥沙迁移情况。

BurboBank风电厂桩基的湍流模拟结果

BurboBank风电厂桩基附近泥沙在5天内的侵蚀和堆积情况，揭示了海床在5天内的形态变化

05研究结论

使用TELEMAC3D在实验室尺度上模拟了一个圆柱体周围的流动，对圆柱体绕流的测量结果与实验数据吻合较好。尽管TELEMAC3D无法达到与CFD求解器相同的精度，但它仍然可以捕捉并表现流体的关键特征。随后，使用Telemac3D模拟了利物浦湾的海上风电场的流场和海床形态，结果中可以清楚地看出单个桩基基础后方的弱流。

小结

本案例是将环境仿真技术应用于海上风电场的桩基维护，模拟结果表证明TELEMAC-MASCARET有能力预测海上风电场桩基周围的水流和泥沙输移。所以，TELEMAC-MASCARET可应用于海床形态变化的模拟，辅助海上风电场运维团队制定对应的桩基维护策略。

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