水下懸浮隧道sf的特性分析

1復(fù)雜水動力特性的研究水下懸浮隧道（sdt）是一種新型的安全、環(huán)保、經(jīng)濟、可替代傳統(tǒng)海上橋梁和沉水管隧道的新類型。近年來，國內(nèi)外通過物理模型試驗、理論及數(shù)值模擬等方法，對SFT水動力特性開展了相關(guān)研究。Budiman等在數(shù)值模擬方面，王廣地綜合前人研究成果，利用CFD研究SFT管體-錨索耦合系統(tǒng)的復(fù)雜水動力特性的相關(guān)成果仍然十分缺乏。本文通過分析BWR,IMA，波浪要素和錨索參數(shù)等影響因素，系統(tǒng)研究規(guī)則波作用下管體-錨索耦合系統(tǒng)的水動力特性，為SFT結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供參考。2數(shù)值模擬2.1湍流模型及輸運方程本文采用二維、不可壓縮、非均勻湍流模型，流場的連續(xù)性方程及動量方程為：式中：i,j=1,2,3;u采用VOF方法求解水氣多相流中的自由液面，并采用GMRES壓力求解器及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行流體仿真計算，并基于FAVOR標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的輸運方程為：式中：k為湍動動能；ε為湍動耗散率;Diff本文所建模型的數(shù)值波浪水槽長50m，寬0.1m，高2m。采用Sommerfeld輻射邊界條件2.2作用于固定sft管體上的波浪力用以計算樁柱等結(jié)構(gòu)的波浪力的Morison公式被廣泛用于工程領(lǐng)域式中：C圖4為作用于固定SFT管體上波浪力的數(shù)值模擬結(jié)果與采用Morison公式計算結(jié)果的比較，由圖可知，二者擬合良好。3結(jié)果分析對造波30～45s時間內(nèi)管體動力響應(yīng)及錨索張力各峰值取平均進(jìn)行統(tǒng)計分析。錨索相對初張力變化幅值采用無量綱化最大錨索力F3.1浸沒深度對管體運動響應(yīng)的影響圖5為BWR=1.47,k=2000N/m,IMA=45°，方案1，形式1,H=0.08m和T=1.2s條件下，不同浸沒深度對SFT運動響應(yīng)、波浪力和錨索力的影響情況。從圖中可知，隨SFT浸沒深度增加，管體運動響應(yīng)減弱。橫蕩與浸沒深度近似呈線性關(guān)系，而垂蕩從浸沒深度0.5m增大到0.7m時，變化趨勢放緩，橫搖則在浸沒深度0.7m處急劇下降。由于SFT系統(tǒng)垂向剛度較斜向大，因此，橫蕩幅值大于垂蕩。沿垂向的波浪力大于水平向；錨索相對張力變化隨浸沒深度增加而減小。斜向錨索張力變化幅值最大約為初張力的75%，垂向錨索張力變化幅值最大約為初張力的70%；將浸沒深度增加至0.7m可有效減小管體的運動響應(yīng)、所受波浪力及錨索張力。橫搖響應(yīng)對于評估人體舒適度具有重要意義，浸沒深度為0.7m時可顯著提高人體舒適度需求，并滿足結(jié)構(gòu)安全性需求。3.2bwr對砂巖水動力特性的影響B(tài)WR對錨索初張力和懸鏈松弛現(xiàn)象有決定作用，從而影響SFT管體的運動響應(yīng)。圖6為d3.3錨相對于砂體水動力特性的影響圖7為d3.4ima對ft水動力響應(yīng)的影響IMA為斜向錨索與垂向的初始角，IMA對斜向錨索剛度和預(yù)張力具有決定性作用，因此，其也是影響SFT的水動力響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)3.5采用錨定系統(tǒng)配置形式對砂噸水的動力響應(yīng)圖9為d3.6預(yù)張力預(yù)測分配對ft水的動力響應(yīng)的影響圖10為d3.7波高對ft水動力響應(yīng)的影響圖11為d3.8波浪周期對砂巖水動力響應(yīng)的影響圖12為d4．垂向錨索合理間距及錨索力本文采用CFD數(shù)值模擬方法對規(guī)則波作用下的SFT管體-錨索耦合系統(tǒng)進(jìn)行運動響應(yīng)特性研究，分析浸沒深度、BWR、IMA、錨索剛度、錨索系統(tǒng)布置形式、錨索系統(tǒng)初張力分配和波浪要素等影響因素。得到結(jié)論如下：(1）管體運動響應(yīng)、所受波浪力及錨索力均隨浸沒深度增大而減小。浸沒深度為0.7m時可極大地提升人體舒適度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。(2）橫搖、橫蕩響應(yīng)及管體所受水平波浪力隨BWR增加而增大，而垂蕩和管體所受垂向波浪力隨BWR增大而減小。存在BWR及垂向錨索剛度的合理區(qū)間能同時滿足較小的系統(tǒng)運動響應(yīng)和更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需求。針對本文模擬條件，建議BWR的取值區(qū)間為1.19～1.67，垂向錨索剛度k應(yīng)大于1000N/m。(3）錨索預(yù)張力分配不是影響SFT水動力特性的關(guān)鍵因素；建議采用IMA=45°便得SFT運動響應(yīng)和錨索力均較小；合理的錨索系統(tǒng)布置形式應(yīng)結(jié)合人體舒適度、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和施工難度及成本等進(jìn)行綜合判定，本文不推薦采用