Symulacja CEL do wyrównywania osiadania wielokubełkowych fundamentów z zastosowaniem metody analogii temperaturowej

Utrzymanie wież morskich w pionie

Farmy wiatrowe i platformy morskie opierają się na solidnych fundamentach osadzonych w miękkich osadach dennych. Gdy te fundamenty pochylają się podczas instalacji, ich nośność i bezpieczeństwo maleją, a korekta przechyleń na morzu jest kosztowna i trudna do przetestowania. W tym badaniu pokazano, jak symulacje komputerowe mogą tanio i wiarygodnie przewidzieć, jak specjalny typ fundamentu, złożony z kilku dużych „kubełków”, osiada i wyrównuje się na dnie morskim, włączając w to przepływ wody morskiej przez piasek w trakcie tego procesu.

Dlaczego wielokubełkowe fundamenty są istotne

Zamiast wbijać wiele długich pali w dno morskie, inżynierowie mogą zastosować fundamenty wielokubełkowe, wyglądające jak skupisko odwróconych puszek połączonych ramą. Systemy te są atrakcyjne, ponieważ instalacja jest szybsza, czasami nadają się do ponownego użycia i mniej naruszają dno morskie niż metody tradycyjne. Jednak nierówne warunki dna lub miejscowe zmiany nośności gruntu mogą spowodować, że cały fundament będzie się przechylał podczas osiadania. Normy dla konstrukcji morskich ograniczają to przechylenie do kilku stopni, dlatego instalatorzy muszą precyzyjnie kontrolować, jak każdy kubełek jest wciągany w dno przy użyciu ssania — delikatnej próżni stosowanej wewnątrz kubełków. Dotąd większość wytycznych pochodziła z małych, czasochłonnych badań w zbiornikach doświadczalnych.

Wykorzystanie przepływu jak ciepła w cyfrowym piaskownicy

Symulacja tego procesu jest trudna, ponieważ grunt wokół kubełków odkształca się znacznie, a jednocześnie woda morska przesiąka przez pory. Standardowe narzędzia numeryczne mają problemy, gdy siatka gruntu rozciąga się i zbyt mocno skręca, a wiele z nich nie obsługuje bezpośrednio przepływu wody przy dużych odkształceniach. Autorzy stosują technikę zwaną sprzężoną metodą Eulera–Lagrange’a (CEL), w której grunt może „płynąć” przez stałą siatkę, podczas gdy stalowe kubełki poruszają się w jej obrębie. Aby odwzorować ruch wody bez specjalnych elementów płynowych, wykorzystują matematyczne zbieżności: równania opisujące ustalone przesiąkanie przez grunt mają tę samą postać co równania rozchodzenia się ciepła w ciele stałym. Traktując ciśnienie wody jak temperaturę, a przepływ jak strumień ciepła, mogą śledzić przesiąkanie za pomocą modułu przewodzenia ciepła w używanym oprogramowaniu.

Weryfikacja analogii i modelu

Zanim zaufają temu skrótowi, autorzy sprawdzają go na dwóch klasycznych problemach: przepływie wody przez wysoki słup piasku oraz przepływie wokół nieprzepuszczalnej ściany zakopanej w gruncie. W obu przypadkach symulacje oparte na „temperaturze” zgadzają się z konwencjonalnymi obliczeniami przesiąkania pod względem naprężeń, zmian ciśnienia i wzorców przepływu, co pokazuje, że analogia działa dla powolnych, nasyconych przepływów. Następnie tworzą szczegółową wirtualną wersję czterokubełkowego fundamentu badany wcześniej w zbiorniku laboratoryjnym. Dopasowując tylko kilka parametrów gruntu w realistycznych granicach, symulacja odtwarza zmierzoną głębokość osiągniętą pod własnym ciężarem, dodatkową siłę potrzebną do wciągnięcia fundamentu do celu oraz stopień wyrównania uzyskanego po zastosowaniu delikatnego ssania w wyższym kubełku.

Zajrzeć w głąb dna morskiego podczas wyrównywania

Dysponując zaufaniem do modelu, autorzy wykorzystują analogię temperaturową, by zajrzeć do wnętrza gruntu podczas wyrównywania — czego nie da się zrobić w laboratorium. Zatrzymują ruch kubełków w kilku kluczowych momentach i obliczają ustalony wzór przesiąkania wokół pary kubełków. Wyniki pokazują, że zmiany ciśnienia porowego koncentrują się pod i blisko kubełka, w którym stosuje się ssanie, rozprzestrzeniając się głębiej w dół niż na boki. Najwyższe prędkości wody występują przy krawędzi kubełka, szczególnie wzdłuż wewnętrznej ścianki, podczas gdy przepływ w środkowej części wewnątrz kubełka jest znacznie wolniejszy. W miarę jak kubełki osadzają się głębiej, prędkości przesiąkania stopniowo maleją, co sugeruje, że większe zanurzenie pozwala stosować nieco silniejsze ssanie bez wywoływania niestabilności gruntu.

Znaczenie dla projektowania morskiego

Mówiąc prościej, badanie dostarcza szybkiego i praktycznego sposobu na „próbną” symulację strategii wyrównywania fundamentów wielokubełkowych na komputerze zamiast polegać wyłącznie na kosztownych testach zbiornikowych. W swoich ograniczeniach — powolne, nasycone warunki i uproszczony model gruntu — podejście może przewidywać, o ile przesunie się pochylony fundament po zmianie ssania i gdzie w otaczającym piasku przesiąkanie jest najsilniejsze. Daje to inżynierom narzędzie do dopracowania planów instalacji, zmniejszenia ryzyka nadmiernego pochylenia lub lokalnej erozji gruntu oraz lepszego zrozumienia interakcji tych skupisk kubełków z dnem morskim, gdy konstrukcje morskie, w tym farmy wiatrowe, sięgają głębszych wód.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: fundamenty morskie dla energetyki wiatrowej, wielokubełkowy fundament, przesiąkanie gruntu, symulacja numeryczna, inżynieria dna morskiego