En CEL-simuleringsmetod för nivåutjämning vid penetrering av flerkoppsfundament med temperaturanalogimetod

Hålla havstorn raka

Havsbaserade vindparker och plattformar förlitar sig på robusta fundament förankrade i mjuka havsbottenavlagringar. När dessa fundament lutar under installationen minskar deras bärighet och säkerhet, och att rätta till lutningen till havs är både dyrt och svårt att testa. Denna studie visar hur datorbaserade simuleringar billigt och pålitligt kan förutsäga hur en särskild typ av fundament, bestående av flera stora ”koppar”, sätter sig och jämnar ut sig på havsbotten, inklusive hur havsvatten rör sig genom sanden under processen.

Varför flerkoppsfundament är viktiga

I stället för att slå många långa pålar i havsbotten kan ingenjörer använda flerkoppsfundament, som ser ut som en klunga upp-och-ner-vända burkar kopplade med en ram. Dessa system är attraktiva eftersom de installeras snabbare, ibland kan återanvändas och stör havsbotten mindre än traditionella metoder. Ofta kan dock ojämna bottenförhållanden eller fläckvis varierande jordstyrka få hela fundamentet att luta när det sjunker. Regler för offshore-strukturer begränsar denna lutning till ett fåtal grader, så installatörer måste noggrant styra hur varje kopp dras ner i botten med hjälp av sug, ett milt vakuum som appliceras inne i kopparna. Fram tills nu har majoriteten av riktlinjerna för detta kommit från små och tidskrävande tankförsök.

Använda flöde som värme i en digital sandlåda

Att simulera denna process är utmanande eftersom jorden runt kopparna genomgår stora deformationer samtidigt som havsvatten sipprar genom porerna. Vanliga numeriska verktyg har problem när jordens nät sträcks och vrids för mycket, och många hanterar inte direkt vattenflöde vid stora deformationer. Författarna använder en teknik som kallas coupled Eulerian Lagrangian-metoden, där jorden tillåts ”flöda” genom ett fast rutnät medan stålkopparna rör sig i det. För att fånga vattenrörelsen utan specialiserade flödeskomponenter utnyttjar de ett matematiskt sammanträffande: ekvationerna som beskriver stationär genomströmning genom jord har samma form som de som beskriver värmeutbredning i ett fast material. Genom att behandla vattentryck som om det vore temperatur och flöde som värmeflöde kan de spåra genomströmningen med programmets värmeöverföringsmodul.

Test av analogin och modellen

Innan de litar på denna genväg kontrollerar teamet den mot två klassiska problem: vatten som flödar genom en hög sandkolonn och vatten som rör sig runt en ogenomtränglig vägg begravd i jord. I båda fallen matchar de ”temperatur”-baserade simuleringarna konventionella genomströmningberäkningar vad gäller spänningar, tryckförändringar och flödesmönster, vilket visar att analogin håller för långsamma, mättade flöden. De bygger sedan en detaljerad virtuell version av ett fyrakoppsfundament som tidigare testats i en laboratorietank. Genom att justera endast ett fåtal jordparametrar inom realistiska gränser reproducerar simuleringen den uppmätta djupgående under egenvikt, den extra kraft som krävs för att pressa fundamentet till ett måldjup och hur mycket lutning som tas bort när ett milt sug appliceras på den högre koppen.

Se in i havsbotten under utjämning

Med förtroende för modellen använder författarna temperaturanalogin för att skåda in i jorden under nivåutjämningen, något som inte är möjligt i laboratoriet. De fryser koppens rörelse vid flera nyckelögonblick och beräknar det stationära genomströmningsmönstret runt ett par koppar. Resultaten visar att förändringar i porvattentrycket är koncentrerade under och nära koppen där sug appliceras, och sprider sig mer djupt nedåt än åt sidorna. De högsta vattenhastigheterna uppstår vid koppkanten, särskilt längs den inre väggen, medan flödet i mitten inne i koppen är mycket långsammare. När kopparna tränger djupare minskar dessa genomströmninghastigheter gradvis, vilket tyder på att större nedsänkning tillåter något starkare sug utan att utlösa jordsvikt.

Vad detta betyder för konstruktion till havs

Enkelt uttryckt levererar studien ett snabbt och praktiskt sätt att ”testköra” nivåutjämningsstrategier för flerkoppsfundament i en dator i stället för att förlita sig enbart på kostsamma tankförsök. Inom sina begränsningar — långsamma, mättade förhållanden och en förenklad jordmodell — kan metoden förutsäga hur mycket ett lutande fundament kommer att röra sig när suget justeras och var i den omgivande sanden genomströmningen är mest intensiv. Detta ger ingenjörer ett verktyg för att förfina installationsplaner, minska risken för överdriven lutning eller lokal jorderosion och bättre förstå hur dessa koppkluster samverkar med havsbotten när havsbaserad vindkraft och andra marina konstruktioner expanderar till djupare vatten.

Citering: 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

Nyckelord: fundament för havsbaserad vindkraft, flerkoppsfundament, jordgenomströmning, numerisk simulering, havsbottenteknik