نهج محاكاة CEL لمعادلة الاختراق لأساس متعدد الدلاء يتضمن طريقة تماثل الحرارة

الحفاظ على استقامة أبراج البحر

تعتمد مزارع ومقارّب طاقة الرياح البحرية على قواعد قوية مثبتة في رواسب قاع البحر اللينة. عندما تميل هذه القواعد أثناء التركيب، تنخفض قدرتها وسلامتها، ومع ذلك فإن تصحيح هذا الميل في البحر مكلف وصعب التجربة. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لمحاكاة بالحاسوب أن تتنبأ بشكل رخيص وموثوق بكيفية استقرار وتسوية نوع خاص من القواعد، المكوّن من عدة «دلاء» كبيرة، على قاع البحر، بما في ذلك كيفية تحرك مياه البحر عبر الرمل أثناء حدوث ذلك.

لماذا تهم قواعد الدلاء المتعددة

بدلاً من دفع أعمدة طويلة متعددة في قاع البحر، يمكن للمهندسين استخدام قواعد متعددة الدلاء، التي تشبه مجموعة من العلب المقلوبة متصلة بإطار. هذه الأنظمة جذابة لأنها أسرع في التركيب، وقد تكون قابلة لإعادة الاستخدام في بعض الأحيان، وتسبب اضطرابًا أقل لقاع البحر مقارنة بالطرق التقليدية. ومع ذلك، يمكن أن تجعل ظروف القاع غير المنتظمة أو تفاوت قوة التربة القاعدة بأكملها تميل أثناء الغمر. تحدد معايير المنشآت البحرية حدودًا لهذا الميل ببضع درجات، لذا يجب على القائمين بالتركيب التحكم بعناية في كيفية سحب كل دلو داخل القاع باستخدام الشفط، وهو فراغ خفيف يطبق داخل الدلاء. حتى الآن، جاءت معظم الإرشادات حول كيفية القيام بذلك من تجارب خزانية صغيرة ومستهلكة للوقت.

استخدام التدفق كحرارة في صندوق رقمي

محاكاة هذه العملية معقدة لأن التربة حول الدلاء تتشوه كثيرًا وتتسرب مياه البحر عبر المسام في الوقت نفسه. تكافح الأدوات العددية القياسية عندما يتمدد ويعصر شبك التربة بشكل مفرط، والعديد منها لا يتعامل مباشرة مع تدفق المياه مع التشوهات الكبيرة. يستخدم المؤلفون تقنية تُسمى طريقة أويلريان-لاغرانج المقترنة (CEL)، حيث يُسمح للتربة «بالتدفق» عبر شبكة ثابتة بينما تتحرك دلاء الفولاذ داخلها. لالتقاط حركة الماء دون عناصر مائع خاصة، يستغلون تطابقًا رياضيًا: المعادلات التي تصف التسرب المستقر عبر التربة لها نفس صيغة معادلات انتشار الحرارة في جسم صلب. بمعاملة ضغط الماء كما لو كان درجة حرارة والتدفق كما لو كان تدفق حرارة، يمكنهم تتبع التسرب باستخدام وحدة انتقال الحرارة في برنامج المحاكاة.

اختبار التماثل والنموذج

قبل الاعتماد على هذه الخدعة، يتحقق الفريق من صحتها على مشكلتين كلاسيكيتين: تدفق الماء عبر عمود رمل طويل وتحرك الماء حول جدار معزول مدفون في التربة. في كلتا الحالتين، تتطابق المحاكاة المعتمدة على «درجة الحرارة» مع حسابات التسرب التقليدية من حيث الإجهاد، وتغير الضغط، وأنماط التدفق، مما يبرهن أن التماثل متين لتدفقات مشبعة وبطيئة. ثم يبنون نسخة افتراضية مفصلة من أساس مكوّن من أربعة دلاء اختُبر سابقًا في خزان مختبري. من خلال ضبط عدد قليل من معلمات التربة ضمن حدود واقعية فقط، تعيد المحاكاة عمق الغمر المقاس تحت الوزن الذاتي، والقوة الإضافية المطلوبة لدفع القاعدة إلى عمق مستهدف، ومدى إزالة الميل عند تطبيق شفط خفيف على الدلو الأعلى.

نظرة داخل قاع البحر أثناء التسوية

مع الثقة في النموذج، يستخدم المؤلفون تماثل الحرارة للتعمق داخل التربة أثناء التسوية، وهو أمر غير ممكن في المختبر. يوقفون حركة الدلاء في عدة لحظات رئيسية ويحسبون نمط التسرب المستقر حول زوج من الدلاء. تُظهر النتائج أن التغيرات في ضغط المياه المسامية تتركز تحت وبالقرب من الدلو الذي يطبق عليه الشفط، وتمتد أعمق عموديًا أكثر من انتشارها عرضيًا. تحدث أعلى سرعات للمياه عند حافة الدلو، خاصة على طول الجدار الداخلي، بينما يكون التدفق في المنطقة الوسطى داخل الدلو أبطأ بكثير. مع غوص الدلاء أعمق، تنخفض هذه السرعات تدريجيًا، مما يشير إلى أن الغمر الأعمق يسمح بشفط أقوى قليلًا دون إحداث فشل في التربة.

ماذا يعني هذا لتصميم المنشآت البحرية

بعبارة بسيطة، تقدم الدراسة طريقة سريعة وعملية لـ"التشغيل الجاف" لاستراتيجيات التسوية لقواعد متعددة الدلاء على الحاسوب بدلاً من الاعتماد فقط على اختبارات الخزانات المكلفة. ضمن حدودها — الظرف المشبع والبطيء ونموذج تربة مبسط — يمكن للنهج التنبؤ بمدى تحرك أساس مائل عند تعديل الشفط، وأين في الرمال المحيطة يكون التسرب أكثر حدة. هذا يمنح المهندسين أداة لتحسين خطط التركيب، وتقليل مخاطر الميل المفرط أو تآكل التربة المحلي، وفهم أفضل لكيفية تفاعل هذه مجموعات الدلاء مع قاع البحر مع امتداد تطبيقات طاقة الرياح والمنشآت البحرية إلى أعماق أكبر.

الاستشهاد: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

الكلمات المفتاحية: قواعد طاقة الرياح البحرية, أساس متعدد الدلاء, تسرب التربة, محاكاة عددية, هندسة قاع البحر