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悬浮隧道锚索涡激振动分析

王建超  
【摘要】:水中悬浮隧道又名阿基米德桥,简称SFT(Submerged Floating Tunnel),是一种跨水域的新交通形式。水中悬浮隧道出现的时间很短,挪威人Hakkaart在1923年申请悬浮隧道的专利,但是这种全新的隧道形式却很快得到了世界范围内专家学者的广泛关注。由于种种原因限制,当今世界上还没有相应的实际工程被建立起来。但是经过各国学者的努力,得到了很多研究成果,这些成果已经充分表明了这种新型交通构筑物在降低造价,环境保护和可持续发展等方面的优势,但该项技术还存在诸多需要认真研究和探索的问题。在此背景下,本文选定悬浮隧道锚索在海洋环境下的涡激动力分析作为研究课题,希望能为悬浮隧道结构实现的推进添砖加瓦。本文主要工作内容与研究成果如下:(1)使用数值模拟法,用软件ANSYS CFX中的Rigid Body模块并选用剪切压力传输(SST)模型来实现圆柱绕流模拟。在验证该模型之后发现通过此模型能够准确地完成相关数值模拟。(2)本文以中意合作拟建的千岛湖悬浮隧道为工程背景,进行了悬浮隧道锚索的涡激振动分析。通过对锚索进行涡激振动分析,得到:当Ur≤4时,此时处于涡激振动的初始分支,升力系数时程曲线和横流向位移时程曲线相位保持一致,尾涡模式为‘2S’模式,从锚索横流向位移时程曲线图中可以看到显著的“拍”的现象,然后对横流向位移进行傅里叶变换后,可以看到两个波峰;当4Ur≤10时,此时处于涡激振动的上分支,升力系数时程曲线和横流向位移时程曲线相位不再保持一致,出现“失谐”状态,尾涡模式由初始分支的‘2S’模式转变为‘2P’模式(4Ur≤8)和‘2T’模式(9≤Ur≤10),锚索横向位移频谱图表现出明显的单峰值特征。(3)粗糙度会对锚索涡激振动产生影响。结果表明:随着圆柱体表面粗糙度的增大,圆柱体的横流向无量纲位移幅值先减小,当粗糙度达到一定程度时候再增大;粗糙度会影响圆柱体的锁定区间,较大粗糙度的圆柱体对应的锁定区间更大,锁定开始点更早,锁定结束点更晚。(4)最后又探讨了质量比、阻尼比对锚索涡激振动的影响,结果显示:涡激振动的锁定区间会受到质量比的影响,质量比越小,锁定区间越大,此时圆柱体在流场中也更容易发生涡激共振现象;质量比越小,升力系数均方根极值和阻力系数均值极值出现时刻提前;在涡激振动锁定区间,质量比各异的阻力系数均值以及升力系数均方根二者几乎等值。在非涡激振动区间,升力系数均方根极值、阻力系数均值极值和横流向无量纲位移幅值极值出现的时刻不随阻尼比的改变而变化;在涡激振动区间,在较大的阻尼比情况下,对应的升力系数均方根也较大,而对应的阻力系数均值、横流向无量纲振幅和顺流向无量纲位移均值较小;阻尼比主要影响锁定区间的后阶段,对锁定区间开始阶段几乎无影响。


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