水中懸浮隧道繞流場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的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、斯托拉哈數(shù)等水動力學參數(shù)差別較大，這些無疑對管段和支撐體系的受力狀態(tài)有影響。國內(nèi)外對懸浮隧道管段上的流體力進行了一些研究，

2、但是研究方法多基于Morison方程的近似計算，并未對作用于懸浮隧道管段上的流體力進行系統(tǒng)的研究。本文以錨索支撐式懸浮隧道為研究對象，錨索的水動力特性對懸浮隧道管段的穩(wěn)定性和錨索自身可靠性與耐久性有重要影響，以往對錨索渦激振動研究均采用“升力振子”模型，而對錨索渦激力的計算簡化為對Van-der-pol方程的求解，升力振子模型是一種近似數(shù)學模型，對錨索渦激振動的計算不具有普適性。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。
　　 本文針對懸浮隧道管段在均勻流條件下的流體力學問題、懸浮隧道錨索的渦激振動現(xiàn)象和錨索疲勞損傷機理進行了深入研究，本學位論文具體研究內(nèi)容如下:
　　 (1)通過有限體積法對Naviar-Stokes方程進行離散，采用多種湍流模型計算鈍體結(jié)構(gòu)繞流場。為了驗證本文湍流模型和邊界層簡化技術的可行性，首先對圓形鈍體結(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)進行繞流場數(shù)值模擬。采用渦粘模型、大渦模擬和雷諾應力模型等多種數(shù)值模擬技術對兩種鈍體繞流場進行計算，并將計算結(jié)果如升力系數(shù)、阻力系數(shù)、斯托拉哈數(shù)和壓力場分布等與既有模型試驗和其他數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，從中找出各種湍流模型適用的雷諾數(shù)范圍，并驗證模型網(wǎng)格和參數(shù)選取的可靠性。
　　 (2)采用雷諾應力模型計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)和壓力場分布等計算結(jié)果。考慮到結(jié)構(gòu)鈍角對斷面繞流的影響，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寬比對鈍角斷面和流線型斷面的上述計算結(jié)果的影響，同時也比較了相同斷面長寬比和流速條件下不同斷面形式的計算結(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大長徑比導致結(jié)構(gòu)柔度較大。渦激振動是此類柔性結(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)動力控制方程的數(shù)值

6、積分法對流體-錨索之間的耦合動力學問題進行研究，通過FLUENT軟件的UDF接口將結(jié)構(gòu)振動模塊寫入流體分析程序，利用動網(wǎng)格技術實現(xiàn)了流固耦合分析。計算了不同來流速度下錨索渦激振動幅值和頻率等耦合動力學參數(shù)，并討論了錨索質(zhì)量比、阻尼比、來流速度和是否考慮流向運動對錨索橫向渦激振動的影響。
　　 (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)值模擬技術和正交經(jīng)驗函數(shù)法。采

7、用模態(tài)正交技術分析海洋柔性結(jié)構(gòu)物的疲勞損傷，并假定長期海流和波浪狀況滿足均值為零的窄帶隨機過程，結(jié)構(gòu)物的應力峰值滿足Rayleigh分布，通過疲勞累計損傷理論獲得了柔性結(jié)構(gòu)疲勞損傷的縱向分布。同時計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，計算結(jié)果與既有模型試驗結(jié)果吻合較好，驗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因素進行深入研究，分別討論了錨索密度、錨索長度、