水中悬浮隧道绕流场特性与锚索疲劳损伤研究

【摘要】：水中悬浮隧道,其英文名称为Submerged Floating Tunnel,简称SFT,又称Archimedes桥。作为水中结构物,波浪力和海流作用力是悬浮隧道最主要的环境荷载,悬浮隧道管段的断面形状和断面尺寸对其自身的流体作用力(波浪力和海流作用力)有显著的影响,不同断面形式的悬浮隧道管段绕流场的升力系数、阻力系数、斯托拉哈数等水动力学参数差别较大,这些无疑对管段和支撑体系的受力状态有影响。国内外对悬浮隧道管段上的流体力进行了一些研究,但是研究方法多基于Morison方程的近似计算,并未对作用于悬浮隧道管段上的流体力进行系统的研究。本文以锚索支撑式悬浮隧道为研究对象,锚索的水动力特性对悬浮隧道管段的稳定性和锚索自身可靠性与耐久性有重要影响,以往对锚索涡激振动研究均采用“升力振子”模型,而对锚索涡激力的计算简化为对Van-der-pol方程的求解,升力振子模型是一种近似数学模型,对锚索涡激振动的计算不具有普适性。除此之外,支撑系统的疲劳损伤是悬浮隧道体系可靠度的重要组成部分,而对锚索等支撑系统的可靠性和耐久性研究几乎空白。 本文针对悬浮隧道管段在均匀流条件下的流体力学问题、悬浮隧道锚索的涡激振动现象和锚索疲劳损伤机理进行了深入研究,本学位论文具体研究内容如下： (1)通过有限体积法对Naviar-Stokes方程进行离散,采用多种湍流模型计算钝体结构绕流场。为了验证本文湍流模型和边界层简化技术的可行性,首先对圆形钝体结构(代表流线性结构)和方形钝体结构(代表钝角结构)两种典型的结构进行绕流场数值模拟。采用涡粘模型、大涡模拟和雷诺应力模型等多种数值模拟技术对两种钝体绕流场进行计算,并将计算结果如升力系数、阻力系数、斯托拉哈数和压力场分布等与既有模型试验和其他数值模拟结果进行比较,从中找出各种湍流模型适用的雷诺数范围,并验证模型网格和参数选取的可靠性。 (2)采用雷诺应力模型计算了均匀流条件下作用于悬浮隧道管段上的流体力,得到了不同流速条件、不同断面尺寸和不同的断面形式等多种情况下,悬浮隧道管段的流体升力、阻力、斯托拉哈数和压力场分布等计算结果。考虑到结构钝角对断面绕流的影响,将管段断面分为钝角断面和流线型断面,比较分析断面不同长宽比对钝角断面和流线型断面的上述计算结果的影响,同时也比较了相同断面长宽比和流速条件下不同断面形式的计算结果,获得一些有益的结论。 (3)悬浮隧道支撑锚索由于其过大长径比导致结构柔度较大。涡激振动是此类柔性结构疲劳失效的主要原因。采用基于有限体积法的CFD数值模拟和结构动力控制方程的数值积分法对流体-锚索之间的耦合动力学问题进行研究,通过FLUENT软件的UDF接口将结构振动模块写入流体分析程序,利用动网格技术实现了流固耦合分析。计算了不同来流速度下锚索涡激振动幅值和频率等耦合动力学参数,并讨论了锚索质量比、阻尼比、来流速度和是否考虑流向运动对锚索横向涡激振动的影响。 (4)锚索的流致疲劳失效是悬浮隧道可靠性研究的重要内容之一。柔性结构流致疲劳损伤研究方法主要有基于CFD的数值模拟技术和正交经验函数法。采用模态正交技术分析海洋柔性结构物的疲劳损伤,并假定长期海流和波浪状况满足均值为零的窄带随机过程,结构物的应力峰值满足Rayleigh分布,通过疲劳累计损伤理论获得了柔性结构疲劳损伤的纵向分布。同时计算了剪切流和阶梯流两种情况下柔性结构的涡激疲劳损伤分布,计算结果与既有模型试验结果吻合较好,验证了本文算法的可行性。 (5)利用本文编写的模态叠加法程序对影响锚索涡激疲劳损伤的相关因素进行深入研究,分别讨论了锚索密度、锚索长度、预张力和流速条件对锚索涡激疲劳损伤的影响。结果表明：流速条件对锚索涡激疲劳损伤影响最大,其次为锚索长度,预张力和锚索密度对锚索涡激疲劳损伤要小些。随着剪切率的增加,锚索最大疲劳损伤明显减小；随着锚索长度的增加,锚索最大疲劳损伤也增加；随着锚索预张力的增加,锚索最大疲劳损伤减小；随着锚索密度增加,锚索最大疲劳损伤增加。