水下懸浮隧道纜索模態(tài)分析

楊國彬+陳舸

摘 要：文章在Gambit上建立虛擬的流場模型，在此模型上劃分網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent并進(jìn)行計算，得出與水下懸浮隧道尺寸相對應(yīng)的海流的拖曳力系數(shù)，對水下懸浮隧道纜索的固有振型、固有頻率和固有周期進(jìn)行了計算，并通過改變海流流速的大小對錨索式水下懸浮隧道的纜索進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了誘發(fā)纜索發(fā)生一階和二階模態(tài)振動的海流流速，為將來研究水下懸浮隧道纜索的動態(tài)響應(yīng)打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水下懸浮隧道；纜索；模態(tài)分析

中圖分類號：U459 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0018-02

水下懸浮隧道是現(xiàn)今仍處于理論分析階段的技術(shù)，當(dāng)今世上并無已建成或批準(zhǔn)建造的水下懸浮隧道。按照錨固形式的種類，水下懸浮隧道分為錨索式、浮筒式和承壓墩柱式，而錨索式水下懸浮隧道是國內(nèi)外諸多學(xué)者研究的焦點。麥繼婷等[1]初步探討了水流作用時水下懸浮隧道張力腿在橫向發(fā)生渦激振動的情況；李劍[2]對水下懸浮隧道的錨索發(fā)生渦激鎖定時的流速進(jìn)行了簡單的探討；Fujita等[3]對淺水中水下懸浮隧道張力腿類型的不同發(fā)展歷程做出了歸納；Kanie等對在浮力、傾角和自重不同的情況下水下懸浮隧道張力腿的非線性的恢復(fù)力做出了分析計算；葛菲等研究了管段運動誘發(fā)的參數(shù)激勵及強迫激勵對錨索沿流方向渦激振動的影響。

本文的探討主體是錨索式水下懸浮隧道，選用的參數(shù)依據(jù)國外擬建的水下懸浮隧道，經(jīng)過改變模型中水流的速度，對水流作用下錨索式水下懸浮隧道纜索做出了簡單的模型分析，為進(jìn)一步研究錨索式水下懸浮隧道纜索的優(yōu)化和動態(tài)響應(yīng)夯實了基礎(chǔ)。

1 水流拖曳力系數(shù)的計算

水下懸浮隧道設(shè)于海表下面40m，因其尺寸很大，選用的研究對象不符合Morison公式的應(yīng)用條件，所以，必須對海流參數(shù)做出分析計算。本文通過Gambit建立流場模型，并將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計算，以便求得海流的拖曳力系數(shù)。流場模型中，圓的直徑是23m，流體域長299m，寬92m，圓柱的前端同流域邊界距離69m，圓柱的尾端同流域邊界距離230m。下面劃分網(wǎng)格。將入口設(shè)為VELOCITY_INLET，出口定為OUTFLOW，圓柱體設(shè)為WALL，邊界設(shè)為WALL。

把劃分后的網(wǎng)格導(dǎo)到Fluent中，同時微調(diào)計算域的尺寸，選取計算模型為標(biāo)準(zhǔn)k-著模型，計算結(jié)果如下圖所示：

由圖1可知，上述流場的拖曳力系數(shù)趨于恒定，約是0.016。將之輸入OrcaFlex中，計算得到的流力基本等于Fluent中求得的，因此，后續(xù)的運算中使用該拖曳力系數(shù)。

2 纜索的模態(tài)分析

2.1 參數(shù)的選取

本文參數(shù)根據(jù)國外擬建的水下懸浮隧道的設(shè)計值，其中管段在水表以下40m（管段形心至水面的距離），長100m，密度2500kg/m3，外徑23m，重浮比0.7，g=9.8065N/kg，浮力=417.41MN，重力=292.19MN。纜索長55.361m，橫截面的直徑0.347m，單位長度質(zhì)量1474.23kg/m，六對纜索在水下懸浮隧道的管段上等距設(shè)置，索鏈傾角60°，模型見圖2。

2.2 分析計算

從圖3中可知，當(dāng)水流速度在1.4m/s時， 處于水下懸浮狀態(tài)的隧道纜索會發(fā)生一階模態(tài)的振動，此時纜索的震動幅度約是0.1765m；纜索的振幅會隨著水流速度的變快而慢慢變大，當(dāng)流速達(dá)到2.0m/s時，纜索的震動幅度最大，約是0.4799m；此后，水流速度愈大，纜索的振幅突然變得越小，當(dāng)流速是2.4m/s時，纜索的振幅變?yōu)?.0687m，達(dá)到最小。

從圖4中可知，水流速度為2.7m/s時，處于水下懸浮狀態(tài)的隧道纜索會發(fā)生二階模態(tài)的振動，纜索的振幅約是0.054m，此時振幅很??；此后，纜索的振幅會隨著水流速度的變快而慢慢變大，當(dāng)流速達(dá)到4.0m/s時，纜索的幅度增大，約至0.4691m。

對比圖3和圖4可知，流速為1.4m/s時，纜索出現(xiàn)一階模態(tài)振動，隨后發(fā)生渦激鎖定，等到流速是2.4m/s時，渦激鎖定消失。接著，纜索發(fā)生不規(guī)則的運動。當(dāng)流速是2.7m/s時，水下懸浮隧道纜索出現(xiàn)二階模態(tài)振動，隨后又出現(xiàn)渦激鎖定，在選定的速度區(qū)間里渦激鎖定沒有消失。

與最初的預(yù)判比較，預(yù)判的一階模態(tài)振動與二階模態(tài)振動出現(xiàn)了，但三階模態(tài)振動并沒有在模擬計算中出現(xiàn)，也許是計算的誤差造成，同時，流速是4.0m/s時海流的激勵頻率2.3056Hz僅僅略微大于索纜的三階固有頻率2.3015Hz，所以，這也在誤差允許的范圍內(nèi)。

綜上所述，模擬計算的最終結(jié)果與最初的預(yù)判還算切合，這證明了所用的模擬方法的可靠性。

3 結(jié)束語

以流速為變量，探討了相異的速度對錨索式水下懸浮隧道的索纜的運動影響。結(jié)果證明，流速是1.4m/s～2.4m/s時，流體將誘導(dǎo)索纜發(fā)生一階模態(tài)振動，流速是2.0m/s時，一階模態(tài)振動振幅最大；當(dāng)流速是2.7m/s～4.0m/s時，將誘導(dǎo)索纜發(fā)生二階模態(tài)振動，且在選定的速度區(qū)間里，流速愈大，二階模態(tài)振動的振幅愈大。

參考文獻(xiàn)：

[1]麥繼婷，羅忠賢，關(guān)寶樹.流作用下懸浮隧道張力腿的渦激動力響應(yīng)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2004，39（5）：600-604.

[2]李劍.水中懸浮隧道概念設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.

[3]Fujita R， Mikami T. Development of submerged floating tunnel in shallow water[C].Krobeborg. Strait Crossing 2001.Swets & Zeitlinger Publishers Lisse，2001：555-562.