学术报告

一、研究作者、机构、发表期刊及时间

本研究由Brecht Devolder、Pieter Rauwoens及Peter Troch主导，研究所属机构包括Ghent University（比利时根特大学）土木工程系，以及KU Leuven（土木工程系）。这项研究发表于《Coastal Engineering》杂志，文章标题为“Application of a buoyancy-modified k-ω SST turbulence model to simulate wave run-up around a monopile subjected to regular waves using OpenFOAM®”，发表时间为2017年4月。

二、研究的学术背景

随着海上风力发电场的快速发展，大量风力涡轮机被安装在海床基础结构上。其中，柱状单桩（monopile）是常见的基础形式之一。为了优化单桩基础的设计，尤其是其附属结构（如登船设施、梯子和平台等），准确评估波浪爬升（wave run-up）至关重要。

以往研究表明，波浪爬升的研究可以通过实验方法和数值模拟来实现。实验方面，如De Vos等学者曾在较深水域条件下对单桩周围的波浪爬升展开测量，同时也提出了一些解析公式。数值模拟方面，多种湍流模型已被用于捕捉波浪与结构间的相互作用，然而传统的Reynolds-averaged Navier-Stokes（RANS）湍流模型在处理两相流时容易引入非物理的波浪衰减现象。

因此，为解决波浪传播和结构附近湍流建模的不足，本研究提出了一种基于浮力修改的k-ω SST模型（buoyancy-modified k-ω SST turbulence model）。研究目标包括在数值波浪水槽中模拟规则波浪条件下单桩周围的波浪爬升，并将模型数值结果与实验数据和解析公式进行验证。

三、研究流程

1. 测试波浪传播性能（空波浪水槽测试）

为了确保数值模型的准确性，研究首先在无单桩阻碍的空水槽内模拟波浪传播过程。研究设计了两种规则波浪条件： - 波列1：波高为0.12 m，周期为1.60 s，波陡（steepness）为0.04，属于低陡度波。 - 波列2：波高为0.12 m，周期为1.05 s，波陡为0.07，属于高陡度波。

研究采用OpenFOAM®软件作为计算流体力学工具，模型包括体积流方法（VOF法）求解气水界面，并在湍流模型中引入浮力修改项。此外，研究分别测试原始k-ω SST模型与改进后的湍流模型对数值结果的影响，同时对网格算例进行多层次细化以确保结果网格收敛性。

2. 模拟单桩周围的波浪爬升

在验证了波浪传播稳定性后，研究开始评估单桩周围的波浪爬升特性。此阶段的研究包含以下主要步骤： 1. 实验数据重用：使用De Vos等人在波浪水槽中获取的实验数据，这些数据包括规则波列条件下的波浪爬升结果。 2. 评估不同网格精度对数值结果的影响：细化网格，从最大单元尺寸为0.1 m逐步精细至0.0125 m。最终的网格模型具有接近240万个单元。 3. 湍流模型的比较分析：分别测试仅使用原始k-ω SST模型和加入浮力项后的改进模型对于模拟结果的影响。

3. 数据分析方法

数据分析采用时域积分方法记录波浪爬升随时间的变化，并通过Richardson外推法验证网格收敛性。同时，研究将数值结果与实验数据及两种解析公式进行对比分析：一种由De Vos等提出，另一种由Kazeminezhad和Etemad-Shahidi提出。

四、研究主要结果

1. 空波浪水槽测试结果

• 在低陡度波条件下（波列1），原始k-ω SST模型与改进模型均表现出良好的波浪传播表现，波高沿水槽几乎保持不变。
  
• 在高陡度波条件下（波列2），原始模型产生显著的波浪衰减，改进后的模型通过在湍流动能方程中引入浮力修正，成功避免了波浪衰减问题，表现出稳定的波浪传播特性。

2. 单桩波浪爬升模拟结果

• 利用低陡度波，原始k-ω SST模型和浮力修正模型均能很好地模拟单桩周围的波浪爬升，并与实验数据趋势一致。然而，浮力修正模型在爬升峰值略有提高。
• 利用高陡度波，仅浮力修正模型能准确捕捉波浪爬升峰值。原始模型因波浪衰减导致入射波能量减小，从而低估了波浪爬升。

3. 网格研究与结果验证

网格收敛性分析表明，数值结果随着网格精细化逐步收敛至真实解。三种网格大小下的力积分结果误差逐步降低至小于1%。

4. 时间和空间分辨率

数值模拟提供了比实验更高的空间分辨率。通过图表绘制单桩周围的波浪爬升分布，显示数值模型能够全面捕捉爬升细节，并很好地符合解析公式的预测结果。

五、研究结论

1. 研究价值：本研究验证了浮力修正k-ω SST湍流模型在波浪传播和波浪爬升模拟中的有效性，为数值模拟单桩周围的波浪爬升提供了一种稳定可靠的方法。
   
2. 科学和工程意义：通过改进湍流模型，研究解决了两相流中非物理波浪衰减的问题，为离岸风电基础设计和其他海岸工程研究提供了工具与方法支持。
   
3. 结果对比：浮力修正模型在高陡度波的模拟结果中更加贴合实验数据和解析公式，突出该模型的应用潜力。

六、研究亮点

1. 创新性方法：首次将浮力修正项引入k-ω SST湍流模型，并验证了其在波浪数值模拟中的有效性。
2. 准确性与稳定性：改进模型显著提升了波浪传播和爬升模拟的稳定性，以及对于实验数据的高度一致性。
3. 高分辨率输出：提供了比实验更细致的时空分辨结果，使波浪爬升现象能更全面准确地被捕捉。

七、未来展望

研究未来计划将此浮力修正模型应用于波浪破碎过程的模拟，以进一步提升湍流强度的预测精度。同时，还计划在更复杂的波浪条件下验证该模型的适用性，为更多的工程场景提供科学参考。