悬浮隧道工程技术研究

1 悬浮隧道与水流作用 水流广泛存在于海洋当中，海洋潮汐、海水密度变化，或者海面因风、气压、降水或河水流入，海水挤压或分散引起补偿流等都会引起水体流动。悬浮隧道在建设和运营过程中难免会遭受水流荷载，因此设计时必须考虑水流作用对其结构安全的影响。根据桥墩、海洋平台等水工结构设计经验，水流作用下悬浮隧道水动力荷载的准确预报，以及是否发生涡激振动是设计中比较关心的两个问题。能否通过优化悬浮隧道管体断面形状，以减轻水流荷载和避免涡激共振产生，也是值得研究的问题。 本章考虑悬浮隧道管节处于均匀流中，且忽略锚索对悬浮隧道流体力的影响，将水流对悬浮隧道管体作用简化为二维问题，针对上述水流荷载准确预报和管体涡激振动问题进行了学习探究。 1.1 悬浮隧道断面绕流特征 目前对悬浮隧道水流荷载的计算主要借鉴各国船级社和海洋石油规范中对海底管线的计算方法，即基于 Morison方程的近似计算方法，其准确的计算取决于诸如阻力、升力等水动力参数的选取。各国规范给出了水动力参数的取值范围，可以作为指导海洋工程荷载设计的依据，也可以参考港口工程荷载规范，按照结构物的形状参数选取阻力系数。但是实际悬浮隧道结构尺寸大、实际绕流雷诺数大，传统的规范中水动力参数的取值已经不能满足悬浮隧道设计需要，且悬浮隧道断面形式多种多样，结构不同的断面形式绕流场中的水动力参数差别很大。因此，针对悬浮隧道这种新型结构，进一步认识其水流作用下的绕流特征，有利于准确预报其阻力系数 CD 和升力系数 CL ，用于水流荷载计算；同时还可以通过各断面间绕流特征的比较，指导和优化横断面外轮廓形状设计。 1.1.1 研究方法 在工程应用中，圆形和方形类的断面形式绕流较为常见。圆形绕流发生时，尾部的绕流流动区域可以分为两个部分，即边界层区和主流区，在边界层中流体黏性产生的摩擦力起主导作用，而在主流区的流动可以视为理想流体，黏性摩擦力可以忽略；由于物体表面的不可滑移，从物面到自由流动之间将形成一段有速度梯度的流动；流体在到达圆柱的*高点时，流速*大，压力*小；经过圆柱的后半部分时，压力逐渐增加，流速减小；边界层中由于黏性的存在，运动较慢的质点将受到更为强烈的阻滞；主流由于流速没有受到影响，可以继续向前流动；而靠近边界的流体受到主流的影响，将折回而倒流，从而产生了流动分离。根据其雷诺数差别，所形成的分离层迅速地盘绕起来成为一个或多个漩涡。由于圆柱尾迹中存在交替释放的漩涡，圆柱会受到横向的脉动升力作用，引发结构的振动。 由于黏性的存在，圆形绕流存在流动分离，传统的势流方法已经不能对其做出准确预报，预报时一般采取计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法。本书拟采用 CFD方法，通过 Fluent（CFD软件）对悬浮隧道管体断面绕流现象进行数值模拟。相较于物理模型试验方法，采用 CFD方法的研究成本更低，周期更短，同时还能观测更多指标，如涡旋、流线等。 CFD方法模拟结构与流体的相互作用，其本质是通过数值方法求解流体的连续性方程和动量方程，获得结构表面应力及周围的流场分布。又由于湍流的涡尺度非常小，如果直接计算动量方程，则计算域需要划分非常密的网格捕捉小尺度涡，受限于计算能力及从节省计算成本考虑，通常会在动量方程中引入湍流模型。例如，式（1-1）为描述三维不可压黏性流场的连续性方程及雷诺平均动量（RANS）方程（王福军，2004）。 （1-1） 式中，xi为坐标系第 i方向的坐标； ui和 uj为平均速度；p为平均压强；为动力黏性系数；为雷诺应力。 1.1.2 断面绕流 CFD模拟 以式（1-1）为控制方程，对悬浮隧道断面绕流特征进行数值模拟。本书的断面绕流数值模拟是通过计算流体力学软件 Fluent完成。使用 Fluent数值求解水动力问题时，基本设置流程如下。 ①通用设置：选择湍流模型、液面追踪方法等控制方程。 ②计算域：给出计算流体区域。 ③网格划分：对计算区域网格划分，即离散控制方程，需要进行网格独立性验证。 ④边界条件：给出控制方程的边界条件，如墙壁、压力入口、速度入口等。 ⑤初始条件：对流场进行初始化，即给出 t =0时流场。 ⑥数据监测：对流场中关心的数据，如压力、流速等设置监测点。 ⑦求解设置：选择数值方法，如控制方程离散方法、求解方法、时间步长等。下面以直径1m的圆形断面为例，对断面绕流 CFD模拟方法进行介绍。 1.模型概述 模型的计算域尺寸、边界条件及坐标系的定义见图1-1。为确保边界对断面周围流场无影响，断面距离边界留足够距离。计算域连同悬浮隧道模型断面在计算中保持静止不动，而流体以速度U0流向模型断面。 图1-1模型的计算域尺寸、边界条件及坐标系 计算域左侧设定为速度入口（velocity-inlet）边界条件，右侧为压力出口（pressure-outlet）边界条件，上下表面为对称（symmetry）边界条件，悬浮隧道表面设定为无滑移壁面（no-slip wall）边界条件。 式（1-1）中需要引入湍流模型使其封闭，综合考虑计算效率与模型适用性，断面绕流计算中采用了 SST k-ω模型。该模型可很好地模拟旋流、强压力梯度的边界层流动与分离流等，相较于 RNG k-.模型，其不包括复杂非线性黏性衰减函数，可较精确地模拟计算物体边界层，适用于圆柱外部复杂流场计算（晁春峰，2013）。 2.模型建立流程 在 Fluent软件中建立断面绕流模型的具体操作流程如下。 （1）添加 Fluent到工作流程如图1-2所示，首先打开 Workbench工作界面，双击左侧工具栏【Fluid Flow（Fluent）】将其添加到工作流程图中，本例命名项目为“demonstration-1”，保存该项目到指定的工作路径。 图1-2 添加 Fluent到工作流程图 （2）建立几何模型 双击工作流程图中 A2：【Geometry】，打开几何绘制窗口。首先确定计算域尺寸，为保证计算边界对计算域的影响较小，设定整体计算域尺寸16D×27D（D为管体特征长度），管体距离入口边界、上下边界距离为8D。由于管体周围及后面尾流区流体变化较剧烈，所以对整个计算域进行分块处理，方便划分网格时对这些区域进行网格局部加密。计算区域为流体区域，故不需要画出横断面内部区域。图1-3为管体及其计算域。 图1-3 几何绘制及工作流程效果图 （3）边界命名及进行网格划分 绘制完几何模型后，关闭几何绘制界面。双击工作流程中 A3：【Mesh】，进入网格划分界面。边界命名方法：选中左边界，鼠标右键选择【Create Named Selection】，输入边界名称“ inlet”。依据该方法命名右边界为“ outlet”，上边界为“symmetry-up”，下边界为“ symmetry-down”，管体边界为“ tube”，注意此处边界条件命名与 Fluent中边界条件类型相关，这样在打开 Fluent时可以对边界类型进行自动识别。 首先对管体壁面边界层域进行网格划分。如图1-4所示，点击【Mesh】，单击鼠标右键，选择【insert】→【inflation】，插入边界层网格，【Geometry】选择整个计算域，【Boundary】选择管体边界。近壁面采用边界层结构化网格进行细化，在【Inflation Option】中选择【First Layer Thickness】，根据目标壁面无量纲参数y +值确定**层网格高度，**层网格高度值【First Layer Height】为0.002m，设定边界层数【Maximum Layers】为25层，增长率【Growth Rate】为1.15。 再对计算域进行网格划分。点击【Mesh】，单击鼠标右键，选择【insert-sizing】，设定流体变化剧烈区域网格大小为0.1m，同样方法设定其他区域尺寸为0.2m，设定管体边界尺寸为0.05m。点击【Mesh】，单击鼠标右键，选择【Generate Mesh】，生成网格。注意在划分完成后要检查网格质量，保证不同区域之间网格过渡光滑，否则应对网格尺寸、边界层数、增长率等参数进行适当调整。 图1-4 插入边界层网格及参数设置 （4）Fluent分析设置 双击工作流程（图1-2）中 A4：【Setup】，在弹出的对话框中选择双精度求解器【Double Precision】，选中【Parallel】，在【processes】中输入求解的线程数，这里采用4线程。点击【OK】启动 Fluent后，可以看到软件界面左侧的导航树（图1-5）。 ①双击导航树【General】，在弹出的任务面板【Time】下选择瞬态求解【Transient】。 ②选择湍流模型（图1-5）：展开导航树中【Models】，双击【Viscous】，在【Model】选项中选择【k-omega（2eqn）】，在【k-omega Model】选项下选中【SST】，点击【OK】关闭窗口。 图1-5 选择湍流模型 ③添加材料：在导航树中展开【Materials】，单击鼠标右键【Fluid】→【New】，在弹出的对话框中单击【Fluent Databases】，在弹出的窗口中找到【water-liquid（h2o＜1＞）】并单击选中，点击【copy】进行添加，点击【Close】关闭窗口。 ④将“ water-liquid（h2o＜1＞）”添加到计算域：展开状态树【Cell Zone Conditions】，双击【solid-fff_surface】（注意此处计算域名称可能与本例不同），在弹出的对话框中的【Materials Name】中选择【water-liquid】，点击【OK】关闭窗口。 ⑤设置边界条件：展开状态树【Boundary Conditions】，双击【inlet】，在【Velocity Magnitude（m/s）】输入来流速度0.316，在【Specification Method】中选择【Intensity and Hydraulic Diameter】，【Turbulent Intensity】中输入3.3，【Hydraulic Diameter】中为管体直径，输入1，点击【OK】关闭窗口。 ⑥选择离散格式及求解方法（图1-6）：双击导航树中【Methods】，在任务面板【Pressure-Velocity Coupling】中选择【SIMPLEC】，【Spatial Discretization】中选择【Second Order Upwind】，【Transient Formulation】中选择【Second Order Upwind】。 ⑦监测管体阻力及升力：单击鼠标右键【Report Definitions】→【New】→【Force Report】→【Drag】，选中【tube】、【Drag Force】、【Report File】、【Report Plot】，在【Name】中输入“drag”；单击鼠标右键【Report Definitions】→【New】→【Force Report】→【Lift】，选中【tube】、【Lift Force】、【Report File】、【Report Plot】，在【Name】中输入“lift”。