基于Midas Gen与NFX的海上光伏桩基波浪力计算方法研究
摘 要：
随着我国海洋战略的深入推进，海上光伏高桩基础设计对波浪力计算精度提出了更高要求。目前，Midas Gen 软件在计算波浪力时未考虑《港口与航道水文规范（2022 版）》（JTS 145-2015）规定的放大系数，导致结果明显偏低，影响结构设计可靠性。本文以连云港田湾滩涂光伏工程为例，结合Midas NFX 三维流固耦合数值模拟，发现未修正的Midas Gen 计算结果与规范修正值及数值模拟结果存在显著差异。为此，提出一种基于参数优化的改进方法，通过逆向标定将规范中的放大系数融合至拖拽力参数Cd 与惯性力参数Cm 中，使Midas Gen 计算结果与规范修正值及数值模拟结果基本吻合。研究表明，该方法有效解决了Midas Gen 因参数缺失导致波浪力偏小的问题，在保证计算效率的同时将计算精度提升至98.8%，为海上光伏高桩基础设计提供了更可靠的技术支撑。
关键词：
海上光伏结构；波浪力计算；CFD 数值模拟；流固耦合
0 引言
近年来，离岸海工结构的设计日益受到重视，海上光伏结构便是其中典型代表。此类结构多采用高桩基础形式，在极端高水位工况下，波浪力常成为桩基设计的控制性荷载。因此，开展波浪力精确计算方法的研究，对保障结构安全具有重要意义。
目前，波浪力研究方法主要分为数值模拟与物理实验两大类。在数值模拟方面，文献[1] 基于绕射理论，通过数值模拟确定了波浪力的绕射系数；文献[2] 将研究拓展至解决非线性椭圆余弦波对复杂截面柱体的绕射问题；文献[3] 基于SPH 方法构建了三维数值水槽，系统分析了不同造波参数下各类截面桥墩受到的波浪力特性；文献[4] 利用FLOW-3D 软件详细研究了承台波浪力特性、底面压强分布及周围流场变化；文献[5]则针对V 形防波堤的经典结构，比较了椭圆余弦波与Airy微幅波的区别与联系。在实验研究方面，文献[6] 结合水槽实验与数值模拟，研究了大尺度复杂结构周围的波浪动力响应及海床响应；文献[7] 通过水槽物理模型试验，探讨了新型开孔工字板组合式防波堤在波浪荷载下的受力特性；文献[8] 则借助物理模型水槽概化实验，系统分析了波浪从破碎区向冲泻区传播过程中非线性特征参数的变化规律。
本文以连云港田湾滩涂光伏工程为背景，基于《港口与航道水文规范（2022 版）》（JTS145-2015）的波浪理论，采用midas NFX 建立三维流固耦合模型，分析了高桩承台在极端波浪下的动力响应。基于分析结果，提出了对Midas Gen 波浪力计算结果的修正方法。该方法在维持计算效率的同时，显著提升了精度，为海上光伏桩基设计提供了兼具规范合规性与工程实用性的解决方案。
1 波浪力计算理论基础
波浪荷载对海上光伏桩基础的影响是典型的流固耦合问题，在工程实践中，针对小尺寸结构（即桩尺寸远小于波长的情况），计算波浪力一般采用半经验半理论的Morison 方程。《港口与航道水文规范》中对于小尺度桩基作用于高度z 处的速度力PD 和惯性力PL 给出了详细的计算方法。将速度力PD 和惯性力PL 沿桩身高度积分，可分别得到桩基所受的总水平力与总弯矩。当H/d ≤ 0.2 且d/L ＜ 0.2 或H/d ＞ 0.2 且d/L ＜ 0.35 时（H为波浪高、d 为水深、L 为波长），小振幅波理论计算水质点速度沿水深的分布与实测资料存在较大差异，在速度数值上偏小较多，故需对原计算结果进行修正，此时PD 应乘以放大系数α，Md 应乘以放大系数β；当0.04 ≤ d/L ≤ 0.2 时，会导致波浪加速度值计算偏小，此时尚应对PL 乘以放大系数γp，ML 乘以放大系数γm。
现按连云港市田湾滩涂光伏实测C14 点位的波浪数据进行计算分析，取百年一遇最大 波浪高为5.03 m、周期8.8 s、波长74.5 m、桩径为0.8 m，计算结果显示：未计入放大系数时，桩身最大水平力为48.7 kN，对应最大弯矩为347.6 kN·m；经规范放大系数修正后，最大水平力增至93.6 kN，最大弯矩显著提升至790.7 kN·m。修正后水平力与弯矩较未修正值分别提高了92.2% 与127.5%。弯矩的增幅尤为剧烈，而弯矩是桩基截面设计与配筋的控制性参数。这表明，在类似浅水或非线性显著的波浪条件下，若直接采用未修正的Morison 方程默认参数计算将严重低估波浪荷载，带来潜在的结构安全隐患。
2 midas NFX 流体仿真
本文基于midas NFX 有限元软件，采用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）与流固耦合（fluid-structure interaction, FSI）分析方法，对波浪作用下的海上光伏桩基进行数值模拟，以验证《港口与航道水文规范》中放大系数在该类结构设计中的适用性与合理性。
流体仿真波浪池长30m，宽7m、高12.6m，水深为8.6m，水面以上4m 为空气域，桩基直径为0.8m，桩中心线至波浪入口10m，模拟波形采用与规范一致的线性波，设定波高H=5.03m，波长L=74.5m，周期T=8.8s。有限元模型如图1所示，绿色 区域代表空气，蓝色 区域代表海水，洋红色 区域代表桩基
数值水池采用速度入口法进行波浪模拟，并运用水平集多相流模型捕捉水- 气交界面。模型左侧设定波浪速度入口：水流区域水平速度为8.46 m/s，竖向速度为1.79cos（2πt/8.8） m/s，多相流体积分数为1；空气区域入口速度设为0，体积分数设为0。边界条件设置如下：前后壁面为对称边界，右侧为压力出口边界，水池底面及桩- 水交界面为固壁边界，桩底为固结边界。湍流模型选用 2k‑ω（SST）模型，考虑到桩体尺寸较小，其变形对水流场影响有限，为提高计算效率，FSI 分析采用单向流固耦合方式，即忽略桩体对水流的反作用。
图2 为t=17.6 s 时刻的波面形态。可以看出，当波浪传播至桩体 位置时，迎波面出现壅高，背波面水位下降，符合波浪绕流物理现象，验证了模型的有效性。
图3为过桩中心线纵剖面的流速分布云图，图4 为桩周流线图。波浪在靠近空气界面处速度最大，沿水深方向逐渐减小。波浪入口处的初始水平速度为 8.46m/s，当波峰传播至桩体后方时，流速降至约 5m/s；贴近桩身区域的水流速度接近于零。波浪越过桩体后，速度逐渐增大，最高达到 12.2m/s，随后逐渐减小并流出模拟边界。从FSI 分析中提取桩身位移，桩顶最大位移为56.8mm，与规范方法计算的理论值58mm 高度吻合，进一步证明了数值模型的可靠性。
提取数值模拟得到的桩身总水平力和总弯矩时程，与考虑放大系数的规范计算结果进行对比，数值模拟得到的峰值水平力为86.8 kN，峰值弯矩为744.4 kN·m。与规范修正值（93.6 kN,790.7 kN·m）相比，分别偏低约7.8% 和6.2%。这一差异在工程可接受范围内，且数值模拟结果略低，表明规范所规定的放大系数具有一定的安全储备，其引入是合理且偏于安全的。值得注意的是，数值模拟中由于波浪单向传播，未出现规范理论计算中的反向力与负弯矩，但对于由正方向最大响应控制的桩基强度设计而言，两者具有等效性。
3 改进Midas Gen 中的波浪力计算
在海上光伏整体结构设计中，常采用midas Gen 进行包含波浪时程荷载在内的多工况组合分析。将Midas Gen（采用默认Cd=1.2, Cm=2.0）计算的波浪力结果与未考虑放大系数的规范计算结果进行对比，发现两者几乎完全一致，计算结果详见表1。
这证实了最初的判断：Midas Gen 内置的波浪力计算模块默认未计入《港口与航道水文规范》针对特定条件规定的动力放大系数。
为在Midas Gen 中实现符合规范要求的波浪力计算，同时避免修改软件底层代码，本文提出一种“参数等效融合”的修正思路，将放大系数整合至拖曳力系数 Cd 与惯性力系数 Cm 中进行修正。鉴于弯矩放大系数 β 与 γm 均大于水平力放大系数 α 与 γp，基于安全性与计算效率的综合考虑，将弯矩与水平力的放大系数统一取为 β 与 γm。据此，将规范原参数Cd=1.2、Cm=2.0 调整为 C'd=2.9、C'm =2.4。
采用修正后的C'd 与C'm ，在 Midas Gen 中重新计算桩身弯矩与水平力，结果如图5、图6 所示。修正后的 Midas Gen计算结果与考虑放大系数的规范方法基本吻合，并能有效包络NFX 数值模拟结果。各工况具体数值汇总于表1，数据显示：修正后 Gen 计算的弯矩与规范结果仅偏差 1.2%。尽管因采用较高水平力放大系数导致桩身剪力略有增大，但由于桩基设计主要由弯矩控制，该偏差对实际工程影响可忽略，且从整体安全角度是可接受的。
结论
本文针对Midas Gen 在海上光伏结构波浪力计算中未考虑《港口与航道水文规范》所规定放大系数的问题，基于规范要求，结合三维数值模拟与工程实例，提出参数修正方法并系统验证其有效性。
主要结论如下：
1）规范放大系数的必要性与验证：结合连云港田湾工程实例，定量揭示了在浅水非线性波浪条件下，忽略规范放大系数将严重低估桩基波浪力（弯矩低估可达127.5%）。基于Midas NFX 建立的三维CFD-FSI 模型，其计算结果与考虑放大系数的规范值趋势一致且略低，验证了规范引入该系数的合理性与保守性。
2）参数修正方法的有效性：提出了通过逆向标定，将规范放大系数等效融合至Morison 方程力系数（Cd,Cm）中的修正策略。将该方法应用于Midas Gen，修正后的波浪力（尤其是弯矩）计算结果与规范理论值吻合良好（精度达98.8%），有效解决了原软件计算值系统性偏低的问题。
3）工程实用价值：该方法无需更改软件程序，操作简便，在保持Midas Gen 高效多荷载组合分析优势的同时，显著提升了波浪力计算的规范符合性与精度，为海上光伏高桩基础设计提供了更可靠、实用的工具。
本研究尚存在可深化之处：采用了单向流固耦合及桩底固结假设。未来工作可进一步考虑双向流固耦合效应、土- 桩相互作用以及更复杂的非线性波浪条件，以提升模型在更广泛工况下的模拟精度。本研究为工程软件在特定规范条件下的参数化应用提供了思路，对类似海洋结构物的设计具有参考价值。
参考文献
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作者：
