【摘要】：水中懸浮隧道又名阿基米德橋,簡稱SFT(Submerged Floating Tunnel),是一種跨水域的新交通形式。水中懸浮隧道出現(xiàn)的時間很短,挪威人Hakkaart在1923年申請懸浮隧道的專利,但是這種全新的隧道形式卻很快得到了世界范圍內(nèi)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于種種原因限制,當今世界上還沒有相應(yīng)的實際工程被建立起來。但是經(jīng)過各國學(xué)者的努力,得到了很多研究成果,這些成果已經(jīng)充分表明了這種新型交通構(gòu)筑物在降低造價,環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢,但該項技術(shù)還存在諸多需要認真研究和探索的問題。在此背景下,本文選定懸浮隧道錨索在海洋環(huán)境下的渦激動力分析作為研究課題,希望能為懸浮隧道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的推進添磚加瓦。本文主要工作內(nèi)容與研究成果如下:(1)使用數(shù)值模擬法,用軟件ANSYS CFX中的Rigid Body模塊并選用剪切壓力傳輸(SST)模型來實現(xiàn)圓柱繞流模擬。在驗證該模型之后發(fā)現(xiàn)通過此模型能夠準確地完成相關(guān)數(shù)值模擬。(2)本文以中意合作擬建的千島湖懸浮隧道為工程背景,進行了懸浮隧道錨索的渦激振動分析。通過對錨索進行渦激振動分析,得到:當Ur≤4時,此時處于渦激振動的初始分支,升力系數(shù)時程曲線和橫流向位移時程曲線相位保持一致,尾渦模式為‘2S’模式,從錨索橫流向位移時程曲線圖中可以看到顯著的“拍”的現(xiàn)象,然后對橫流向位移進行傅里葉變換后,可以看到兩個波峰;當4Ur≤10時,此時處于渦激振動的上分支,升力系數(shù)時程曲線和橫流向位移時程曲線相位不再保持一致,出現(xiàn)“失諧”狀態(tài),尾渦模式由初始分支的‘2S’模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤?P’模式(4Ur≤8)和‘2T’模式(9≤Ur≤10),錨索橫向位移頻譜圖表現(xiàn)出明顯的單峰值特征。(3)粗糙度會對錨索渦激振動產(chǎn)生影響。結(jié)果表明:隨著圓柱體表面粗糙度的增大,圓柱體的橫流向無量綱位移幅值先減小,當粗糙度達到一定程度時候再增大;粗糙度會影響圓柱體的鎖定區(qū)間,較大粗糙度的圓柱體對應(yīng)的鎖定區(qū)間更大,鎖定開始點更早,鎖定結(jié)束點更晚。(4)最后又探討了質(zhì)量比、阻尼比對錨索渦激振動的影響,結(jié)果顯示:渦激振動的鎖定區(qū)間會受到質(zhì)量比的影響,質(zhì)量比越小,鎖定區(qū)間越大,此時圓柱體在流場中也更容易發(fā)生渦激共振現(xiàn)象;質(zhì)量比越小,升力系數(shù)均方根極值和阻力系數(shù)均值極值出現(xiàn)時刻提前;在渦激振動鎖定區(qū)間,質(zhì)量比各異的阻力系數(shù)均值以及升力系數(shù)均方根二者幾乎等值。在非渦激振動區(qū)間,升力系數(shù)均方根極值、阻力系數(shù)均值極值和橫流向無量綱位移幅值極值出現(xiàn)的時刻不隨阻尼比的改變而變化;在渦激振動區(qū)間,在較大的阻尼比情況下,對應(yīng)的升力系數(shù)均方根也較大,而對應(yīng)的阻力系數(shù)均值、橫流向無量綱振幅和順流向無量綱位移均值較小;阻尼比主要影響鎖定區(qū)間的后階段,對鎖定區(qū)間開始階段幾乎無影響。
【圖文】：

（c） 錨索式圖 1.1 幾種典型的水下懸浮隧道形式錨索式進行分析，錨索式懸浮隧道主要由；連接基礎(chǔ)與隧道管體的錨索；隧道管體；隧道管體通過錨索連接在基礎(chǔ)上，并且管體通過錨索傳遞給基礎(chǔ)。影響，處于一定流速的錨索其兩側(cè)因海流泄放規(guī)律，而出現(xiàn)的漩渦將導(dǎo)致錨索四周壓在錨索的縱流向以及橫流向，錨索受到流體且，力的作用是相互的，錨索振動同樣會給及流體二者間的相互耦合作用在學(xué)術(shù)界被脫落二者的頻率接近時候，則旋渦脫落頻出現(xiàn)了鎖定現(xiàn)象。錨索具有大長徑比特點，

圖 1.2 響應(yīng)分支渦激振動處于低雷諾數(shù)的情況下，此時圓柱體渦激振動的響應(yīng)模式包括兩種：一種為初始分支，另一種為下端分支，最大位移位于后者之上。2011 年，Chunning 等人[14]采用虛擬區(qū)域法，對雷諾數(shù) Re =60~300的雙自由度圓柱展開渦激振動數(shù)值模擬，得出：圓柱渦激振動響應(yīng)僅初始分支和下端分支兩個分支。初始分支和下端分支對應(yīng)的尾渦模態(tài)均為‘2S’模式，這與 Williamson 得出的結(jié)論不同。Prasanth[15]等人選擇雷諾數(shù) Re =60~200，質(zhì)量比 m* =10的圓柱體開展模擬研究，初始分支階段其振幅相對較小，下端分支時振幅開始增大，對應(yīng)的尾渦脫落模式分別為‘2S’模式和 C（2S）模式。Mittal 和 Prasanth[16]研究分析了質(zhì)量比m* =10的兩向自由度圓柱渦激振動，阻流比 B =5%時（B= D / H ，D 表示的是圓柱體直徑，H 表示的是計算域?qū)挾龋�，在初始分支上端分支之間出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，在下端分支和解鎖區(qū)域之間也出現(xiàn)了遲滯現(xiàn)象，而前者遲滯寬度與阻流比成正比，遲滯寬度隨其縮小而減小，阻流比 B＜2 .5%時，則遲滯現(xiàn)象不復(fù)存在。不管阻流比有多大，下端分支與解鎖區(qū)域的遲滯均存在，并且遲滯寬度隨著阻流比的
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U451

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本文編號：2701077