水中懸浮隧道繞流場(chǎng)特性與錨索疲勞損傷研究.pdf

1、水中懸浮隧道，其英文名稱為SubmergedFloatingTunnel，簡(jiǎn)稱SFT，又稱Archimedes橋。作為水中結(jié)構(gòu)物，波浪力和海流作用力是懸浮隧道最主要的環(huán)境荷載，懸浮隧道管段的斷面形狀和斷面尺寸對(duì)其自身的流體作用力（波浪力和海流作用力）有顯著的影響，不同斷面形式的懸浮隧道管段繞流場(chǎng)的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、斯托拉哈數(shù)等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)差別較大，這些無(wú)疑對(duì)管段和支撐體系的受力狀態(tài)有影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)懸浮隧道管段上的流體力進(jìn)行了一些研究，

2、但是研究方法多基于Morison方程的近似計(jì)算，并未對(duì)作用于懸浮隧道管段上的流體力進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文以錨索支撐式懸浮隧道為研究對(duì)象，錨索的水動(dòng)力特性對(duì)懸浮隧道管段的穩(wěn)定性和錨索自身可靠性與耐久性有重要影響，以往對(duì)錨索渦激振動(dòng)研究均采用“升力振子”模型，而對(duì)錨索渦激力的計(jì)算簡(jiǎn)化為對(duì)Van-der-pol方程的求解，升力振子模型是一種近似數(shù)學(xué)模型，對(duì)錨索渦激振動(dòng)的計(jì)算不具有普適性。除此之外，支撐系統(tǒng)的疲勞損傷是懸浮隧道體系可靠度的重要組成

3、部分，而對(duì)錨索等支撐系統(tǒng)的可靠性和耐久性研究幾乎空白。
　　 本文針對(duì)懸浮隧道管段在均勻流條件下的流體力學(xué)問(wèn)題、懸浮隧道錨索的渦激振動(dòng)現(xiàn)象和錨索疲勞損傷機(jī)理進(jìn)行了深入研究，本學(xué)位論文具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)通過(guò)有限體積法對(duì)Naviar-Stokes方程進(jìn)行離散，采用多種湍流模型計(jì)算鈍體結(jié)構(gòu)繞流場(chǎng)。為了驗(yàn)證本文湍流模型和邊界層簡(jiǎn)化技術(shù)的可行性，首先對(duì)圓形鈍體結(jié)構(gòu)（代表流線性結(jié)構(gòu)）和方形鈍體結(jié)構(gòu)（代表鈍角結(jié)構(gòu)）兩種典

4、型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行繞流場(chǎng)數(shù)值模擬。采用渦粘模型、大渦模擬和雷諾應(yīng)力模型等多種數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)兩種鈍體繞流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果如升力系數(shù)、阻力系數(shù)、斯托拉哈數(shù)和壓力場(chǎng)分布等與既有模型試驗(yàn)和其他數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，從中找出各種湍流模型適用的雷諾數(shù)范圍，并驗(yàn)證模型網(wǎng)格和參數(shù)選取的可靠性。
　　 (2)采用雷諾應(yīng)力模型計(jì)算了均勻流條件下作用于懸浮隧道管段上的流體力，得到了不同流速條件、不同斷面尺寸和不同的斷面形式等多種情況下，懸浮隧道管段

5、的流體升力、阻力、斯托拉哈數(shù)和壓力場(chǎng)分布等計(jì)算結(jié)果?？紤]到結(jié)構(gòu)鈍角對(duì)斷面繞流的影響，將管段斷面分為鈍角斷面和流線型斷面，比較分析斷面不同長(zhǎng)寬比對(duì)鈍角斷面和流線型斷面的上述計(jì)算結(jié)果的影響，同時(shí)也比較了相同斷面長(zhǎng)寬比和流速條件下不同斷面形式的計(jì)算結(jié)果，獲得一些有益的結(jié)論。
　　 (3)懸浮隧道支撐錨索由于其過(guò)大長(zhǎng)徑比導(dǎo)致結(jié)構(gòu)柔度較大。渦激振動(dòng)是此類柔性結(jié)構(gòu)疲勞失效的主要原因。采用基于有限體積法的CFD數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)動(dòng)力控制方程的數(shù)值

6、積分法對(duì)流體-錨索之間的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)FLUENT軟件的UDF接口將結(jié)構(gòu)振動(dòng)模塊寫入流體分析程序，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了流固耦合分析。計(jì)算了不同來(lái)流速度下錨索渦激振動(dòng)幅值和頻率等耦合動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并討論了錨索質(zhì)量比、阻尼比、來(lái)流速度和是否考慮流向運(yùn)動(dòng)對(duì)錨索橫向渦激振動(dòng)的影響。
　　 (4)錨索的流致疲勞失效是懸浮隧道可靠性研究的重要內(nèi)容之一。柔性結(jié)構(gòu)流致疲勞損傷研究方法主要有基于CFD的數(shù)值模擬技術(shù)和正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)法。采

7、用模態(tài)正交技術(shù)分析海洋柔性結(jié)構(gòu)物的疲勞損傷，并假定長(zhǎng)期海流和波浪狀況滿足均值為零的窄帶隨機(jī)過(guò)程，結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力峰值滿足Rayleigh分布，通過(guò)疲勞累計(jì)損傷理論獲得了柔性結(jié)構(gòu)疲勞損傷的縱向分布。同時(shí)計(jì)算了剪切流和階梯流兩種情況下柔性結(jié)構(gòu)的渦激疲勞損傷分布，計(jì)算結(jié)果與既有模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文算法的可行性。
　　 (5)利用本文編寫的模態(tài)疊加法程序?qū)τ绊戝^索渦激疲勞損傷的相關(guān)因素進(jìn)行深入研究，分別討論了錨索密度、錨索長(zhǎng)度、