Подход моделирования CEL для выравнивания глубины проникновения многокорзинчатого фундамента с применением температурной аналогии

Как сохранить морские башни вертикальными

Оффшорные ветропарки и платформы опираются на прочные фундаменты, закреплённые в мягких донных осадках. Когда эти фундаменты накреняются при установке, их несущая способность и безопасность снижаются, а исправление наклона в море дорого и сложно для испытаний. В этом исследовании показано, как компьютерные симуляции могут дешёво и надёжно предсказывать, как специальный тип фундамента, состоящий из нескольких больших «корзин», оседает и выравнивается на дне моря, включая то, как морская вода перемещается через песок в этот период.

Почему важны многокорзинчатые фундаменты

Вместо забивки многих длинных свай в дно инженеры могут использовать многокорзинчатые фундаменты, которые выглядят как кластер перевёрнутых банок, соединённых рамой. Эти системы привлекательны тем, что их быстрее устанавливать, иногда их можно повторно использовать, и они меньше нарушают донный покров по сравнению с традиционными методами. Однако неоднородность дна или переменная прочность грунта могут привести к наклону всей конструкции при погружении. Стандарты для оффшорных сооружений ограничивают этот наклон несколькими градусами, поэтому монтажники должны тщательно контролировать, как каждая корзина втягивается в грунт с помощью всасывания — мягкого вакуума, создаваемого внутри корзин. До сих пор большая часть рекомендаций по этому процессу исходила из небольших и трудоёмких лабораторных экспериментов в ваннах.

Использование потока как тепла в цифровой песочнице

Моделировать этот процесс сложно, потому что грунт вокруг корзин сильно деформируется, а морская вода одновременно просачивается через поры. Обычные численные инструменты испытывают трудности, когда сетка грунта слишком растягивается или скручивается, и многие из них прямо не учитывают поток воды при больших деформациях. Авторы используют метод, называемый связанной эвлери-лагранжевой (CEL) техникой, при котором грунт допускается «течь» через фиксированную сетку, пока стальные корзины движутся внутри неё. Чтобы учесть движение воды без специальных гидродинамических элементов, они используют математическое совпадение: уравнения, описывающие стационарную фильтрацию через грунт, имеют ту же форму, что и уравнения теплопроводности в твёрдом теле. Обрабатывая водяное давление как «температуру», а поток — как тепловой поток, они отслеживают фильтрацию с помощью модуля теплопередачи в программном обеспечении.

Проверка аналогии и модели

Прежде чем полагаться на этот упрощённый приём, команда проверяет его на двух классических задачах: фильтрация воды через высокий столб песка и движение воды вокруг непроницаемой стены, погружённой в грунт. В обоих случаях симуляции на основе «температуры» соответствуют классическим расчётам фильтрации по напряжениям, изменениям давления и траекториям потока, что показывает состоятельность аналогии для медленных, насыщающих потоков. Затем они воссоздают детальную виртуальную модель четырёхкорзинчатого фундамента, ранее испытанного в лабораторной ванне. Подбирая лишь несколько параметров грунта в пределах реалистичных значений, симуляция воспроизводит измеренную глубину проникновения под собственным весом, дополнительную силу, необходимую для вдавливания фундамента до целевой глубины, и то, насколько снимается наклон при мягком всасывании, приложенном к более высокой корзине.

Заглядывая внутрь донного грунта во время выравнивания

Уверенные в модели, авторы используют температурную аналогию, чтобы заглянуть внутрь грунта во время выравнивания — то, что невозможно сделать в лаборатории. Они останавливают движение корзин в нескольких ключевых моментах и вычисляют стационарную схему фильтрации вокруг пары корзин. Результаты показывают, что изменения порового давления воды концентрируются под и вблизи корзины, где применяется всасывание, распространяясь глубже вниз, чем вбок. Наибольшие скорости воды наблюдаются у кромки корзины, особенно вдоль внутренней стенки, тогда как поток в центральной области внутри корзины значительно медленнее. По мере более глубокого погружения эти скорости фильтрации постепенно уменьшаются, что подразумевает возможность применения несколько большего всасывания на большей глубине без вызова разрушения грунта.

Что это значит для проектирования в море

Проще говоря, исследование даёт быстрый и практичный способ «прогнать» стратегии выравнивания многокорзинчатых фундаментов в компьютере вместо того, чтобы полагаться лишь на дорогие лабораторные испытания. В рамках своих ограничений — медленные, насыщенные условия и упрощённая модель грунта — подход может предсказать, насколько сместится накренившийся фундамент при регулировке всасывания и где в окружающем песке фильтрация наиболее интенсивна. Это даёт инженерам инструмент для уточнения планов установки, снижения риска чрезмерного наклона или локальной эрозии грунта и лучшего понимания взаимодействия этих кластеров корзин с морским дном по мере выхода оффшорной ветроэнергетики и других морских сооружений в более глубокие воды.

Цитирование: 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

Ключевые слова: фундаменты для оффшорных ветровых установок, многокорзинчатый фундамент, фильтрация в грунте, численное моделирование, инженерия морского дна