基于单桩风力涡轮机基础的集成网笼周围的波场特性，通过CFD模型确定

《Ocean Engineering》：Wave field characteristics around an integrated net cage based on a monopile wind turbine foundation as determined by CFD model

研究采用OpenFOAM数值模拟方法，基于孔隙介质模型分析集成式海上风电与养殖网箱的波浪场特性，对比实验数据验证模型可靠性，发现波周期增加和网固体率提高会导致下游波高显著变化，skewness和kurtosis呈现递增趋势，为工程设计提供关键数据参考。

　　随着全球对可再生能源和可持续海洋资源利用的关注不断加深，海上风电与网箱养殖的综合开发模式正逐渐成为研究的热点。这种模式不仅能够充分利用海洋空间和生物资源，还能够通过集中式开发提升经济效益，同时对海洋生态环境的保护与恢复具有积极作用。本文通过数值模拟方法，对安装在单桩基础上的综合网箱结构周围的波浪场特性进行了系统研究，旨在为相关工程设计提供关键的数据支持。

海上网箱养殖系统长期暴露在海洋环境中，受到复杂的波浪和水流作用，其结构承受的环境载荷具有显著的动态性和不确定性。这些载荷不仅影响网箱的稳定性，还可能对养殖鱼类的生存环境造成不利影响。因此，深入研究网箱结构与波浪的相互作用机制，对于优化设计、提高安全性以及保障养殖效果至关重要。近年来，学者们通过物理模型试验和数值模拟相结合的方式，对网箱结构的水动力特性进行了广泛研究。例如，Lader等人（2007）通过物理模型试验探讨了波浪与网箱的相互作用，重点关注波浪高度和形态的变化；Bi等人（2015）则通过实验评估了网箱的波浪阻尼性能，分析了波浪周期、高度、网箱数量、网箱结构、网密度以及雷诺数等参数对波浪传输系数的影响。

在数值模拟方面，计算流体力学（CFD）方法因其能够捕捉非线性现象、湍流特性和多相流模拟等优势，逐渐成为研究网箱结构水动力性能的重要工具。为了提高计算效率，研究者们提出了使用多孔介质模型来模拟网箱结构的方法。Patursson等人（2010）首次将多孔介质模型与CFD结合，用于模拟网箱面板的流体行为；随后，Zhao等人（2013, 2014）进一步应用CFD方法，研究了不同攻角和网箱数量下网箱周围的流场和波浪场特性。对于发生大变形和位移的网箱结构，Bi等人（2014）和Chen与Christensen（2017）开发了结合多孔介质模型与集中质量法的数值模型，以更准确地模拟复杂条件下的网箱动态响应。

近年来，CFD方法在研究海上鱼场与规则波的非线性相互作用方面取得了重要进展。Martin与Bihs（2022）以及Wang等人（2022a, 2022b）利用CFD方法分析了海上鱼场与规则波之间的相互作用，揭示了波浪传播、衰减和反射的规律。此外，Cheng等人（2022）开发了一种结合两个开源数值工具箱的耦合算法，用于分析浸没式网箱的流体-结构相互作用，该算法特别适用于处理薄、柔性且高渗透性结构的尾流效应。Ji等人（2024, 2025）则基于数值模拟和模型试验，研究了双层侧网支撑的底部结构平台的流场特性，结合雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程和可实现的k-ε湍流模型，对流体运动特性进行了深入分析。

然而，尽管已有大量关于海上风电与网箱结构耦合系统的研究，但对这类结构周围波浪场特性的系统性研究仍显不足。尤其是在使用CFD方法进行波浪场模拟方面，相关研究尚未形成完整的理论框架和实用模型。因此，本文选择使用开源CFD工具OpenFOAM，对安装在单桩基础上的综合网箱结构周围的波浪场行为进行了数值分析。研究重点在于探讨入射波浪参数（如波浪周期和高度）以及网箱密度对波浪场特性的影响，为未来工程设计提供科学依据。

单桩支撑的海上风电结构在当前的海上风电应用中占据重要地位。其结构简单、受力分布清晰，能够有效适应海洋环境的复杂性。然而，单桩基础的设计和施工远比陆上风电更为复杂，需要综合考虑风力、波浪和水流等多种因素对结构的影响。Manenti与Petrini（2010）研究了单桩海上风电结构在风浪共同作用下的动态相互作用，使用ANSYS进行数值模拟，并通过Morison方程计算单桩基础所受的波浪力。Mardfekri与Gardoni（2013）则计算了单桩基础在风浪共同作用下的随机波浪载荷，并建立了概率模型以预测结构在复杂载荷下的变形情况。Carswell等人（2016）研究了极端风暴条件下单桩基础与土壤之间的相互作用，考虑了风浪周期性载荷对结构的影响。Ong与Yin（2025）提出了一种新型解耦模型，用于预测近壁柱体在复合流场作用下的水动力载荷，该模型明确区分了边界层对水动力系数和局部流速的影响，将其视为两个独立的组成部分。

目前，关于综合海上风电与网箱结构的研究主要集中在结构载荷和动态响应的计算上。例如，Zheng等人（2021）开发了一个耦合模型，用于预测在风浪共同作用下风-光-养殖一体化平台的动态行为，分析了关键因素对平台升沉、俯仰、塔架弯矩和系缆张力的影响。Zhang等人（2023）提出了一种结合单桩支撑风电结构与钢质网箱的综合海上平台，研究了其在地震、风和波浪载荷下的动态特性，并提出了振动控制和设计参数优化的建议。Li等人（2023）则提出了一种将套管型风电基础与网箱系统相结合的设计概念，通过SACS软件进行数值模拟和时域模拟，分析了风、波浪和水流载荷对结构动态响应（如位移和剪切力）的影响。Jiang等人（2024）通过模型试验评估了新型综合风能-养殖平台在规则波和不规则波条件下的动态响应特性，为系缆配置对平台动态性能的影响提供了重要见解。Bi等人（2025）则提出了一种集成了浮式垂直轴风电装置与鱼箱的平台，并通过物理模型试验分析了不同波浪参数下平台的运动响应。

总体而言，综合单桩支撑海上风电与网箱结构的系统性研究仍处于初步阶段，特别是在利用CFD方法进行波浪场模拟方面，尚缺乏深入的理论支持和实际应用。本文的研究正是基于这一背景，旨在通过数值模拟方法，揭示综合网箱结构对波浪场特性的影响机制，为未来相关工程设计提供关键数据。研究过程中，首先介绍了CFD模型的基本理论和方法，包括控制方程、几何模型、边界条件以及数值求解策略。随后，通过与实验数据的对比分析，验证了数值模型的可靠性和准确性。最后，重点探讨了入射波浪参数和网箱密度对波浪场特性的影响，分析了波浪高度和周期的变化趋势，以及网箱密度对波浪衰减和传播的影响。研究结果表明，随着波浪周期从0.9秒增加到1.5秒，综合网箱结构下游0.1米和0.4米处的波浪高度呈现出整体上升的趋势。同时，下游区域的偏斜度和峰度也随着波浪高度的增加而逐渐提升。此外，提高网箱密度能够有效降低综合网箱结构内部及下游区域的波浪高度。这些发现对于优化综合结构的设计、提高其在复杂海洋环境中的适应性和稳定性具有重要意义。

在综合结构的动态响应分析中，波浪场特性的变化可能对养殖环境的稳定性产生直接影响。例如，波浪高度的增加可能导致网箱结构承受更大的水动力载荷，从而影响其结构安全性和养殖效果。因此，深入研究波浪场特性及其与结构参数之间的关系，不仅有助于提高结构设计的科学性和合理性，还能够为海洋生态保护提供技术支持。此外，网箱结构在长期使用过程中容易受到生物污损的影响，这会改变其水动力特性，进而影响波浪场的分布和流动模式。Klebert等人（2013）指出，生物污损可能影响网箱内外的水流交换，对养殖鱼类的生存环境产生不利影响。Nobakht-Kolur等人（2021a, 2021b）通过模型试验探讨了生物污损网箱所受的水动力载荷，并分析了在规则波作用下周围波浪场的行为，建立了非线性回归模型以预测波浪传输系数。Bi等人（2017）则通过数值模拟研究了网箱阵列在不同生物污损水平和波浪入射方向下的波浪衰减特性，为实际工程中应对生物污损问题提供了理论依据。

综上所述，本文通过OpenFOAM平台进行数值模拟，系统分析了综合网箱结构周围的波浪场特性，探讨了入射波浪参数和网箱密度对波浪传播、衰减和反射的影响。研究结果表明，波浪周期的增加会导致综合网箱结构下游波浪高度的上升，而网箱密度的提高则有助于降低波浪高度，从而提升结构的稳定性。这些发现不仅为综合结构的设计和优化提供了重要参考，也为海上风电与网箱养殖的协同开发提供了科学支持。此外，本文还强调了在实际工程中应充分考虑生物污损对结构水动力性能的影响，以确保养殖环境的安全性和可持续性。未来的研究可以进一步探索不同波浪条件下的结构响应特性，以及如何通过优化设计提高综合结构的抗波浪能力和生态适应性。