波浪-海床-结构相互作用(WSSI)分析在单鱼笼吸力锚设计中的创新应用与性能优化研究

推荐：为解决近海养殖中吸力锚在波浪-结构-海床耦合作用下的动态响应问题，研究人员开发了集成OrcaFlex与OpenFOAM的WSSI分析框架。该研究揭示了锚裙壁对海床土体周期性响应的阻碍效应，发现系泊力对锚内土体影响更显著，为海洋水产养殖锚固系统设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球海洋养殖产业规模预计2050年将增长155%，传统嵌入式锚固系统在复杂海洋环境中的局限性日益凸显。吸力锚虽具有承载力高、施工便捷等优势，但其在波浪-柔性鱼笼-系泊系统-海床多物理场耦合作用下的动态响应机制尚不明确。这一认知空白直接制约着近海养殖设施向深远海发展的进程，特别是在遭遇极端波浪条件时，锚固系统的可靠性直接关系到整个养殖设施的安全。

针对这一关键问题，同济大学研究人员在《Ocean Engineering》发表了创新性研究。团队通过将集总质量法软件OrcaFlex捕捉的鱼笼水弹性行为，与基于OpenFOAM开发的WSSI模型相结合，建立了首个适用于鱼笼系统的单向耦合分析框架。该模型采用RANS方程模拟流体动力学，运用Biot部分动态(u-p)近似理论描述海床响应，并创新性地开发了压力-位移边界条件来实现多物理场耦合。

研究首先通过四组验证实验证实了模型的可靠性：鱼笼位移响应与Li等(2013)数据误差<5%，系泊力计算结果与Huang等(2016)实验吻合良好，孔隙水压力预测与Qi和Gao(2014)、Wang等(2019)的实测数据绝对误差控制在2.2%以内。在波浪周期T=6s、波高H=6m的典型工况下，研究揭示了三个关键发现：

波浪-系泊-结构-海床相互作用方面：研究发现锚裙壁的屏蔽效应导致外部土体呈现周期性响应，而锚内土体孔隙压力仅集中在锚盖和锚尖附近。当波峰经过时，系泊力水平分量使锚体倾斜，导致锚尖处土壤有效应力σ_zz达到6kPa，较无系泊工况增加35%。

海床响应特性方面：垂直渗流力主要分布在海底表面以下0.3d_s(d_s为锚体长度)范围内。值得注意的是，系泊力方向决定了锚内土体颗粒运动轨迹——当系泊力存在显著x向分量时，土体呈现顺时针旋流，这与外部土体的波浪驱动运动模式形成鲜明对比。

动态摩擦机制方面：研究量化了系泊力对摩擦力的时滞效应。锚1的外壁峰值摩擦力比锚4早出现T/3周期，幅度高出2.5kN。摩擦力的空间分布分析显示，外壁摩擦在z=-0.05d_s处达到400Pa峰值，而内壁摩擦则集中在z>-0.2d_s区域，这为锚体优化设计提供了关键参数。

参数研究表明，当波浪周期从6s增至10s时，系泊力差异收敛，但土壤摩擦阻力持续增长未达稳定值。特别在15°入射角工况下，锚3的内外壁摩擦同步增加5kN，揭示出系泊系统布局对锚固性能的敏感影响。

该研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，建立的WSSI框架首次整合了柔性浮体水弹性响应，更真实反映了波浪-结构-锚-海床的耦合机制；其次，提出的动态接触模型为瞬态摩擦行为分析提供了新方法；最后，参数敏感性结论直接指导了不同海况下的锚体优化设计。研究团队也指出当前模型在流固双向耦合、弹塑性本构模型等方面的局限，这为后续研究指明了方向。这些成果不仅适用于海洋养殖领域，对海上风电等其它海洋工程锚固系统设计同样具有重要参考价值。