CN116911208A - 一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法、系统、设备及介质，所述方法包括：在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连；设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学‑离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；根据最佳网格尺寸的耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。本发明能够更加准确地实现海洋桩基局部冲刷坑的预测分析。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学数值模拟技术领域，特别是涉及一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法、系统、设备及介质。
背景技术
海上风电机由下部的塔筒和基础结构支撑，当前使用最广泛的基础结构为单桩基础。在海流或波浪工况下，水流受单桩干扰会形成特殊的局部水流结构，部分水流结构例如马蹄涡和尾涡会破坏桩周泥沙输运的平衡状态，进而使得桩周泥沙流失，最终导致冲刷坑的形成。海上风电场建成以来出现了不同程度的冲刷现象，冲刷引起的基础埋深变浅将导致桩基承载力降低，进而严重威胁上部建筑物的安全。因此，正确预测桩周冲刷，并根据预测结果及时采取有效治理措施，是当前海上风电工程亟待解决的问题。
对于海洋桩基冲刷问题，波流联合工况最为常见，但在该工况下，业内仍然没有提出统一的冲刷深度计算方法，而各国的海洋桩基规范中虽已明确规定桩基础设计时应考虑冲刷影响，但并未给出经验性的冲刷预测方法，因此当前相关理论的发展已明显滞后于工程实践；模型试验是局部冲刷的主要分析方法之一。模型试验可以反映不同工况下局部冲刷的真实状况，并且随着观测技术的发展，桩周流场和冲淤形态的精细化测量已经日渐可行。但模型试验的主要局限性在于人力物力成本高昂以及原位试验开展难度大；
数值仿真方法在局部冲刷问题中得到了越来越多的应用。数值仿真能够为模型试验提供丰富的数据补充，并能够对原位试验开展数值模拟，而无需进行缩尺。当前应用最广泛的冲刷分析数值方法是单相动网格方法，但该方法依赖于泥沙输运理论，而现有泥沙输运理论的经验性在一定程度上限制了该方法的预测准确性近年来，以欧拉-欧拉两相流方法为代表的物理模型数值模拟方法有了长足的发展，其基于流体动力学和颗粒动力学模拟水-砂相互作用和泥沙颗粒运动，因此不会受到泥沙输运理论经验性的影响。但欧拉-欧拉两相流方法仍然存在一定的局限性，例如本构关系过于复杂、不能模拟非均匀海床，以及无法预测泥沙垂直于海床方向的起动等。
发明内容
本发明的目的是提出一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法、系统、设备及介质，以更加准确地实现海洋桩基局部冲刷坑的预测分析。
为了实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，所述方法包括：
在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连，所述桩基设置于所述砂槽上，所述离散元颗粒覆盖于所述第一平台、所述斜坡和所述砂槽；
设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；
对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；
根据所述最佳网格尺寸的所述耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。
进一步地，所述根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型，包括：
计算所述离散元颗粒所受的力；
根据所述离散元颗粒所受的力计算所述离散元颗粒下一时刻的位置；
根据所述离散元颗粒下一时刻的位置更新所述桩基局部三维模型；重复流程直至达到预设时长。
进一步地，所述对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸，包括：
逐步调整所述计算流体网格的密度，得到不同密度的所述计算流体网格对应的仿真结果，将桩前最大冲刷深度满足预设值的所述仿真结果对应的计算流体网格的密度作为最佳网格尺寸。
进一步地，所述在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，包括：
根据预设倍数扩大位于冲刷不敏感区域的所述离散元颗粒的尺寸，所述冲刷不敏感区域为远离所述离散元颗粒的表面和所述桩基预设距离的区域。
进一步地，所述设置所述桩基局部三维模型的边界条件，包括：
对于出口边界条件，将压力变量定义为零，将其他变量按照零梯度条件定义；
对于顶面边界条件，将速度编按照滑移条件定义，将其他变量按照零梯度条件定义；
对于侧壁边界条件，将所有变量按照对称条件定义；
对于底面和桩壁边界条件，将速度变量按照无滑移条件定义，将压力变量按照零梯度条件定义，将湍流黏度变量和湍动能变量按照壁面函数条件定义；
对于入口边界条件，将宽度和高度方向的速度变量定义为零，将压力变量、湍动能变量、湍流粘度变量按照零梯度条件定义，将长度方向的速度变量按照以下公式定义：
其中，uf为摩阻流速，κ为卡门常数，z为距离底部的距离，Δ为基底糙度。
进一步地，所述计算所述离散元颗粒所受的力，包括：
根据所述离散元颗粒的速度变量、压力变量和计算流体力学经验模型计算所述离散元颗粒所受的拖曳力、升力、压力梯度力和粘滞力，通过邻居搜索算法计算相互接触的所述离散元颗粒之间的接触力；
计算所述拖曳力、升力、压力梯度力、粘滞力和所述接触力的合力。
第二方面，本发明实施例提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测系统，所述系统包括：
仿真模型配置模块，用于在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连，所述桩基设置于所述砂槽上，所述离散元颗粒覆盖于所述第一平台、所述斜坡和所述砂槽；
模型耦合模块，用于设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；
收敛性分析模块，用于对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；
冲刷预测模块，用于根据所述最佳网格尺寸的所述耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。
进一步地，所述收敛性分析模块，还用于：
逐步调整所述计算流体网格的密度，得到不同密度的所述计算流体网格对应的仿真结果，将桩前最大冲刷深度满足预设值的所述仿真结果对应的计算流体网格的密度作为最佳网格尺寸。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法、系统、设备及介质，通过在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连；设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；根据最佳网格尺寸的耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。本发明能够更加准确地实现海洋桩基局部冲刷坑的预测分析。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的桩基局部三维模型示意图；
图3是本发明实施例提供的颗粒堆积模拟试验示意图；
图4是本发明实施例提供的计算流体力学模型边界条件示意图；
图5是本发明实施例提供的离散元颗粒初始化示意图；
图6是本发明实施例提供的局部冲刷仿真结果示意图；
图7是本发明实施例一种海洋桩基局部冲刷坑预测系统的系统框图；
图8是本发明实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，所述方法包括：
S11、在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连，所述桩基设置于所述砂槽上，所述离散元颗粒覆盖于所述第一平台、所述斜坡和所述砂槽。
在本实施例中，计算流体力学通过数值方法求解流体力学控制方程，得到流场的离散定量描述，并以此预测流体运动规律。计算流体力学仿真软件可以是ANSYS Fluent、Autodesk CFD或其他仿真软件，离散元法则是解决不连续介质问题的数值模拟方法，该方法将海床沉积物视为由离散泥沙颗粒组成的离散介质，使用接触模型处理颗粒-颗粒、颗粒-边界间的相互作用。接触模型是指用于计算颗粒-颗粒、颗粒-边界间相互作用力的一系列方程组，主要可以分为硬球模型和软球模型两类。硬球模型将颗粒假定为刚性体，只允许颗粒同时与一个颗粒接触，因此适用于模拟稀薄和远离壁面的条件下气体的流动与扩散过程。软球模型将颗粒假定为柔性体，允许颗粒同时与多个颗粒接触，因此适用于模拟颗粒在密相流场中的运动。本具体实施例中的泥沙冲刷问题属于密相流动问题，因此接触模型采用Mindlin-Hertz软球模型。控制方程指纳维-斯托克斯方程，即N-S方程，其作用是描述流体的动力学行为。N-S方程根据待研究流体的运动维度、粘度、速度、可压缩性而具有不同的形式。由于本具体实施例中研究的对象为具有粘性的低速不可压缩三维流体，因此本具体实施例中的N-S方程采用三维粘性不可压缩形式。湍流是一个非常随机的，瞬时的流动状态，每时每刻的流速和流动方向都会变化。由于湍流是一个在时间和空间上的多尺度问题，因此要实现对湍流的精确数值解析往往需要巨大的计算成本。本具体实施例中采用湍流模型对流体的湍流运动进行描述，当前湍流模型可以分为湍流输运系数模型、湍流应力模型和大涡模型。由于大涡模型可以更准确地描述局部冲刷流场内的湍流特征，因此本具体实施例中，采用大涡模型作为湍流模型。大涡模型将湍流运动分为大尺度涡流运动和小尺度涡流运动，使用直接数值模拟方法求解大尺度涡流运动，并使用亚格子应力项描述小尺度涡流运动对流场的影响。控制方程的求解采用有限体积法，该方法将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，进而得到一组离散方程，通过求解上述方程组得到流场的离散化描述。本实施例依据计算流体力学建立桩基局部模型，能够更为合理地进行桩基局部的模拟仿真。
本实施例中的桩基局部三维模型如图2所示，在一个具体的实施例中，其长度为60倍桩径、宽度为10倍桩径，沿着长度方向可以分为四个区段，包括作为预备段的第一平台、作为过渡段的斜坡、作为冲刷段的砂槽、以及作为尾流段的第二平台。预备段第一平台长度为37.5倍桩径，其设置目的在于为来流中的湍流边界层发展提供足够的空间和时间；过渡段斜坡长度为7.5倍桩径，其设置目的在于平缓地连接预备段和冲刷段，从而防止后台阶涡流产生；冲刷段砂槽长度为10倍桩径，砂槽深度为两倍桩径，其设置目的在于提供空间供离散元颗粒铺设进而形成砂床；尾流段第二平台长度为5倍桩径，其设置目的在于提供空间供尾涡发展。当然，本实施例中的尺寸设置可根据实际仿真需求进行相应调整。本实施例的桩基局部三维模型包括多个功能不同的区域，符合真实海洋冲刷情况，提高了预测准确度。
在一个实施例中，可进行如图3所示的颗粒堆积模拟试验以得到离散元颗粒的接触参数，在初始状态下将离散元颗粒生成并储存在一个漏斗形容器中，容器下方一定距离布置有一个粗糙的水平平板。试验过程中，将容器和平板置入水中，打开容器下方的开口，下落的泥沙不断堆积，在最终在平板上形成一个圆锥状堆积体。试验结束后，测量静止状态下堆积体的休止角。离散元颗粒接触参数的标定方法如下：在不同的滚动摩擦系数和滑动摩擦系数下开展颗粒堆积模拟试验并测得对应的休止角，获得颗粒接触参数和休止角的对应表格。在仿真实际案例时，根据实际泥沙休止角和上述表格，反向确定颗粒的接触参数。本实施例通过颗粒堆积模拟试验得到离散元颗粒的接触参数以便于进行仿真模拟。
为了减小结果仿真时的计算量消耗，本实施例根据预设倍数扩大位于冲刷不敏感区域的所述离散元颗粒的尺寸，所述冲刷不敏感区域为远离所述离散元颗粒的表面和所述桩基预设距离的区域。本实施例通过适当扩大冲刷不敏感区域的所述离散元颗粒尺寸，在不影响预测结果的情况下减轻了运算压力。
S12、设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；
在本实施例中，计算流体力学-离散元模型耦合算法具体包括：计算所述离散元颗粒所受的力；根据所述离散元颗粒所受的力计算所述离散元颗粒下一时刻的位置；应用动量方程计算颗粒的线速度，应用动量矩方程计算颗粒的角速度，应用线性积分计算颗粒在下一时刻的位置。根据所述离散元颗粒下一时刻的位置更新所述桩基局部三维模型，具体地，更新计算流体力学模型中的体积分数场和动量交换项，体积分数指的是计算网格内颗粒体积占总格子体积的百分比，动量交换项的物理学意义是由于颗粒-流体作用导致的流体能量衰减；重复流程直至达到预设时长。具体地，计算过程中每一个时刻的时间间距称为时间步，计算流体模拟和离散元模拟的时间步往往不同。为了防止计算发散，计算流体模拟的时间步需要满足库朗数小于1的条件，离散元模拟的时间步则需要满足颗粒间接触计算的瑞利准则，计算流体模拟的时间步往往远大于离散元模拟的时间步。本实施例综合考虑计算流体力学和离散元模型的影响，使得模拟仿真更加符合实际。
在本实施例中，计算所述离散元颗粒所受的力的方法包括：根据所述离散元颗粒的速度变量、压力变量和计算流体力学经验模型计算所述离散元颗粒所受的拖曳力、升力、压力梯度力和粘滞力，计算所述拖曳力、升力、压力梯度力、粘滞力和所述接触力的合力。上述拖曳力、升力、压力梯度力以及粘滞力等统称为流体作用力，用于计算流体作用力的经验模型包括：Gidaspow模型、DiFelice模型、Hill-Koch模型等。通过邻居搜索算法计算相互接触的所述离散元颗粒之间的接触力；邻居搜索算法可以分为网格算法、Verlet邻居列表法和边界盒子算法。本具体实例采用Verlet邻居列表法进行邻居搜索。近邻列表算法在模拟开始时为中心元胞中的每一个粒子构造一个近邻粒子列表，把周围截断半径内的粒子全部罗列在近邻表中。在一个具体地实施例中，近邻列表算法的截断半径选取为2.5倍颗粒直径。由于近邻球外的粒子不会很快运动到截断球内，在紧接着的若干步模拟中，只需计算中心粒子与列于近邻表中的粒子间的距离，而不需要计算中心粒子与不在近邻表中的其他粒子之间的距离，大大减少了需要计算粒子间距离的数量。
在本实施例中，桩基局部三维模型的边界条件如图4所示，其包括入口、出口、侧壁、地面、顶面以及桩壁边界条件。其中各个边界的详细条件如下：
对于出口边界条件，将压力变量定义为零，将其他变量按照零梯度条件定义；
对于顶面边界条件，将速度编按照滑移条件定义，将其他变量按照零梯度条件定义；
对于侧壁边界条件，将所有变量按照对称条件定义；
对于底面和桩壁边界条件，将速度变量按照无滑移条件定义，将压力变量按照零梯度条件定义，将湍流黏度变量和湍动能变量按照壁面函数条件定义；
对于入口边界条件，将宽度和高度方向的速度变量定义为零，将压力变量、湍动能变量、湍流粘度变量按照零梯度条件定义，将长度方向的速度变量按照以下公式定义：
其中，uf为摩阻流速，κ为卡门常数，z为距离底部的距离，Δ为基底糙度。
在上述设置中，零梯度条件指的是变量在边界处梯度为0；对称条件指的是变量在边界面上的法向通量为0；滑移边界指的是在边界上，流体的速度与边界的速度不相同；无滑移边界指的是是在边界上，流体的速度与边界的速度相同。边界条件设置完成后，还需要对流场进行初始化，在本实施例中，将砂槽区域内的流速初始化为0，将其余区域的流速初始化为来流平均流速。设置离散元颗粒的物理性质参数和模拟参数。具体地，离散元颗粒的物理性质参数包括密度、粒径、杨氏模量、泊松比、粗粒化比、恢复系数。其中密度指的是泥沙的颗粒密度，粒径指的是泥沙的中值颗粒直径，按照实际条件取值。杨氏模量推荐取为5×106Pa，泊松比推荐取为0.45、粗粒化比推荐取为2、恢复系数推荐取为0.1。模拟参数主要包括邻近截止距离和时间步长，邻近截止距离推荐取为2.5倍粒径，时间步长需要小于由瑞利准则确定的最大时间步长。离散元颗粒初始分布如图5所示。其中初始化区域的长度和宽度与砂槽尺寸相同，初始化区域的高度取为两倍砂槽高度。初始化的第一阶段是使用颗粒生成算法在初始化区域内生成随机排布而不相互侵入的颗粒，初始化的第二阶段是对离散元颗粒施加重力，使得它们在重力的驱动下向下压缩并形成密集堆积状态。初始化完成后，会有一部分的颗粒高于海床的基底标高，因此需要删除基底标高以上的离散元颗粒以形成平整的砂床表面。本实施例通过离散元颗粒初始化以得到满足密集堆积状态的离散元颗粒。
S13、对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；
在本实施例中，收敛性分析是指将边界层位置的流体网格逐步加密，并比较不同网格密度下的仿真结果代表性指标，具体地，逐步调整所述计算流体网格的密度，得到不同密度的所述计算流体网格对应的仿真结果，将桩前最大冲刷深度满足预设值的所述仿真结果对应的计算流体网格的密度作为最佳网格尺寸。当代表性指标达到稳定后，才认为网格密度达到准确模拟的要求。其中代表性指标选取为冲刷10s后的桩前最大冲刷深度。本实施例在正式模拟之前进行网格收敛性分析以获得与网格依赖性较小的模拟结果，从而实现更可靠的模拟。
S14、根据所述最佳网格尺寸的所述耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。
具体地，如图6所示，按照前述对耦合桩基局部三维模型的设置，开展真正用于桩基冲刷预测的计算流体力学-离散元耦合模拟。通过预测可以得到与真实情况相符的桩基冲刷情况。与现有技术相比，相较于传统的单相动网格方法，本申请的计算流体力学-离散元耦合方法具有更清晰的物理意义，与真实情况符合度高，不会受到泥沙输运经验性模型的局限，具有更高的准确性；相比于欧拉-欧拉两相流方法，计算流体力学-离散元耦合方法能够考虑泥沙颗粒的不均匀性，并且可以预测海床表面垂直于海床的颗粒起动，具有更广泛的适用性；计算流体力学-离散元耦合方法能够提供桩基冲刷过程中泥沙颗粒运动的细节信息，因此有助于工程人员进一步理解桩周冲刷机理，并且根据该机理采取针对性的防护措施。
基于上述一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，本发明实施例还提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测系统，如图7所示，所述系统包括：
仿真模型配置模块1，用于在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连，所述桩基设置于所述砂槽上，所述离散元颗粒覆盖于所述第一平台、所述斜坡和所述砂槽；
模型耦合模块2，用于设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；
收敛性分析模块3，用于对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；
冲刷预测模块4，用于根据所述最佳网格尺寸的所述耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。
在另一个实施例中，所述收敛性分析模块3，还用于：
逐步调整所述计算流体网格的密度，得到不同密度的所述计算流体网格对应的仿真结果，将桩前最大冲刷深度满足预设值的所述仿真结果对应的计算流体网格的密度作为最佳网格尺寸。
关于一种海洋桩基局部冲刷坑预测系统的具体限定可以参见上文中对于一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法的限定，在此不再赘述。上述系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
图8示出一个实施例中计算机设备的内部结构图，该计算机设备具体可以是终端或服务器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示器和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域普通技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体地计算设备可以包括比途中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有同样的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
综上，本发明提供了一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法、系统、设备及介质，所述方法包括：在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连；设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；根据最佳网格尺寸的耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。本发明能够更加准确地实现海洋桩基局部冲刷坑的预测分析。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，其特征在于，所述方法包括：
在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连，所述桩基设置于所述砂槽上，所述离散元颗粒覆盖于所述第一平台、所述斜坡和所述砂槽；
设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；
对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；
根据所述最佳网格尺寸的所述耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。
2.根据权利要求1所述的一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，其特征在于，所述根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型，包括：
计算所述离散元颗粒所受的力；
根据所述离散元颗粒所受的力计算所述离散元颗粒下一时刻的位置；
根据所述离散元颗粒下一时刻的位置更新所述桩基局部三维模型；重复流程直至达到预设时长。
3.根据权利要求1所述的一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，其特征在于，所述对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸，包括：
逐步调整所述计算流体网格的密度，得到不同密度的所述计算流体网格对应的仿真结果，将桩前最大冲刷深度满足预设值的所述仿真结果对应的计算流体网格的密度作为最佳网格尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，其特征在于，所述在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，包括：
根据预设倍数扩大位于冲刷不敏感区域的所述离散元颗粒的尺寸，所述冲刷不敏感区域为远离所述离散元颗粒的表面和所述桩基预设距离的区域。
5.根据权利要求1所述的一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，其特征在于，所述设置所述桩基局部三维模型的边界条件，包括：
对于出口边界条件，将压力变量定义为零，将其他变量按照零梯度条件定义；
对于顶面边界条件，将速度编按照滑移条件定义，将其他变量按照零梯度条件定义；
对于侧壁边界条件，将所有变量按照对称条件定义；
对于底面和桩壁边界条件，将速度变量按照无滑移条件定义，将压力变量按照零梯度条件定义，将湍流黏度变量和湍动能变量按照壁面函数条件定义；
对于入口边界条件，将宽度和高度方向的速度变量定义为零，将压力变量、湍动能变量、湍流粘度变量按照零梯度条件定义，将长度方向的速度变量按照以下公式定义：
其中，uf为摩阻流速，κ为卡门常数，z为距离底部的距离，Δ为基底糙度。
6.根据权利要求2所述的一种海洋桩基局部冲刷坑预测方法，其特征在于，所述计算所述离散元颗粒所受的力，包括：
根据所述离散元颗粒的速度变量、压力变量和计算流体力学经验模型计算所述离散元颗粒所受的拖曳力、升力、压力梯度力和粘滞力，通过邻居搜索算法计算相互接触的所述离散元颗粒之间的接触力；
计算所述拖曳力、升力、压力梯度力、粘滞力和所述接触力的合力。
7.一种海洋桩基局部冲刷坑预测系统，其特征在于，所述系统包括：
仿真模型配置模块，用于在计算流体力学仿真软件中建立桩基局部三维模型，所述桩基局部三维模型包括第一平台、斜坡、砂槽、第二平台、桩基和离散元颗粒，所述第一平台、所述斜坡、所述砂槽和所述第二平台依次相连，所述桩基设置于所述砂槽上，所述离散元颗粒覆盖于所述第一平台、所述斜坡和所述砂槽；
模型耦合模块，用于设置所述桩基局部三维模型的边界条件，根据计算流体力学-离散元模型耦合算法得到耦合桩基局部三维模型；
收敛性分析模块，用于对所述耦合桩基局部三维模型的计算流体网格进行收敛性分析，得到最佳网格尺寸；
冲刷预测模块，用于根据所述最佳网格尺寸的所述耦合桩基局部三维模型进行冲刷预测，以输出预测结果。
8.根据权利要求7所述的一种海洋桩基局部冲刷坑预测系统，其特征在于，所述收敛性分析模块，还用于：
逐步调整所述计算流体网格的密度，得到不同密度的所述计算流体网格对应的仿真结果，将桩前最大冲刷深度满足预设值的所述仿真结果对应的计算流体网格的密度作为最佳网格尺寸。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6所述方法的步骤。
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