水流作用下悬浮隧道耦合动力数值模拟分析

安装在深水区的悬浮隧道在水流作用下会产生交替脱落的漩涡,从而使得悬浮隧道受到周期性的力,进一步导致悬浮隧道产生涡激振动。当涡脱落频率与悬浮隧道固有频率相接近时会发生"锁定"现象,进而导致悬浮隧道发生振幅较大的运动,类似于结构的共振状态。文章利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体雷诺平均Navier-Stokes方程,并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法,对不同雷诺数下(Re=1 000～100 000)悬浮隧道的涡激振动问题进行了数值模拟研究。计算中悬浮隧道受到弹簧和阻尼的约束,并允许其仅发生横流向的运动,研究了不同结构自振频率下悬浮隧道的受力和运动情况以及不同浮重比情况下悬浮隧道的受力和运动的结果。结果表明,在计算的各雷诺数下,悬浮隧道发生"锁定"的频率基本一致,但是悬浮隧道不同浮重比对"锁定"区间存在影响作用。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究II:不规则波

为研究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,通过几何比尺为1?50的物理模型试验开展了不规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射有效波高、相对板长、平台净空高度和平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明,平台在不规则波作用下的砰击压强及砰击压力极值具有随机性,经过傅里叶变换,其作用周期与波浪周期一致,并存在明显的高阶成分;5个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小,即长波引起的砰击力较大,短波造成的砰击力较小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,给出不规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力有效值的计算表达式,可快速得到平台受到的波浪砰击力,并分析了规则波和不规则波引起砰击力的关系。     

围油栏水动力特性大比尺物理模型试验研究

针对围油栏水动力特性的问题,进行了模型比尺为1:1的规则波、水流与围油栏相互作用的大比尺水槽物理模型试验。利用拉力传感器和Polhemus电磁式位置跟踪系统,对围油栏的受力和不同浮子的运动响应进行了测量,研究了不同环境因素(周期、波高、流速)对围油栏水动力特性的影响。试验结果表明,在波流组合的情况下,围油栏的受力情况对水流流速最为敏感,波高其次,波浪周期对其影响最小。围油栏不同位置的浮子水平运动特征不同,但各个浮子的运动响应幅值均对波高较为敏感,基本同波高成线性关系。同时,水流抑制了各个浮子的水平运动,但使其升沉运动更为剧烈。     

悬浮隧道水动力问题研究概述

悬浮隧道作为一种新型的跨水域交通方式近年来引起各国学者广泛的关注,文章在介绍悬浮隧道研究背景与各国发展状况的基础上,首先梳理了悬浮隧道断面形式与管体连接方式的相关研究,分析了不同断面形式的优缺点,概述了管段之间连接、支撑悬浮系统连接以及隧道两端连接的相关成果。文章重点围绕悬浮隧道水动力问题,系统梳理了针对悬浮隧道水动力荷载、不同荷载作用下的运动响应及锚索系统的涡激振动及其抑制问题的研究,最后通过总结前人的研究成果,提出了悬浮隧道水动力研究方面需要进一步关注的问题。     

波浪作用下悬浮结构水动力特性分析

悬浮隧道作为一种新型的水上概念交通形式,自该概念提出以来,受到世界各国学者的广泛关注。为了有较好的水动力特性,通常做成类圆管形状。文章基于势流理论,采用高阶边界元方法建立数学模型,分析了悬浮隧道在不同环境参数下的水动力特性,对圆形、椭圆形和双圆截面结构所受波浪激振力、附加质量和辐射阻尼进行了分析比较,研究了结构物不同淹没深度、不同截面形状以及结构不同特征参数对其水动力特性的影响。研究结果表明:当淹没水深增加,圆截面受到的波浪激振力和辐射阻尼都会随之减小,而附加质量的变化较小;对于椭圆和双圆截面的比较,水平方向椭圆截面所受波浪激振力和附加质量都比双圆截面小,而在垂直方向的波浪激振力和附加质量则较大,且椭圆截面所受的辐射阻尼比双圆截面在水平和垂直方向上均较大;对于双圆截面,结构物受到的水平方向上的波浪激振力和辐射阻尼随着中心距的增大而增大,在垂直方向则体现出相反的趋势,附加质量在两个方向上都均随着中心距的增大而减小。本研究计算结果可为悬浮隧道相关工程的截面选择提供参考。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究Ⅰ:规则波浪

为探究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,文章通过几何比尺为1?50的物理模型开展了规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射波高、相对板长、平台相对高度与平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明：规则波作用下波浪对平台的砰击压强及砰击压力具有随机性和周期性,高阶波浪砰击力明显;五个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,拟合出规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力的计算公式,可为规则波作用下的砰击力快速计算提供有益帮助。     

30万吨级油船空载系泊系缆力模型试验研究

针对大型油船在现有码头停靠、改造时的空载系泊情况,采用物理模型试验方法,分析了处于改造作业过程中吃水较小、受风面积较大的30万t级油船的缆绳受力情况,研究了吹开风作用下以及风浪联合作用下波浪与风速对缆绳受力的影响,得出了原系泊方案最不利缆绳位置。针对风暴情况下船舶系缆布置方式存在的问题,提出了相应的优化方案,并开展相关试验研究。研究结果表明：优化方案可使各个缆绳受力更加均匀,避免某根缆绳受力较大的情况,试验结果可为相关设计提供一定的依据。     

正向规则波作用下悬浮隧道时域全局动力分析

应用Morison方程和有限元法，将悬浮隧道管体假定为与岸坡固定的Euler-Bernoulli梁结构，通过将锚索与悬浮隧道管体、海底平面铰接，实现了锚索、悬浮隧道管体以及岸坡三者之间的动力学耦合，将线性波浪理论应用于Morison方程计算波浪荷载，在时域内采用Newmark-β隐式时间积分法迭代求解悬浮隧道的运动控制方程，进而构建了水下悬浮隧道的三维动力学耦合数值模型。研究结果表明：在长周期波主导的海域，适当增大水平方向的系泊刚度，将有利于控制悬浮隧道整体的位移幅值；隧道近岸处的锚索由于边界条件的影响，在波浪条件下将承受更大的张力，工程中应适当增加或加粗近岸端部锚索，排除安全隐患；悬浮隧道的锚索布置间距宜固定在250～300 m的范围内。