懸浮隧道錨索渦激振動影響因素分析

摘要：將錨索運動簡化為彈簧質量阻尼系統(tǒng)，錨索周圍流場采用RSM（Reynolds Stress Model）結合增強的壁面函數模型計算，利用四階Runge-Kutta法計算錨索振動方程，并將程序寫入FLUENT軟件進行流固耦合分析。討論了錨索質量比、阻尼比、是否考慮流向運動和來流速度對錨索渦激振動的影響，主要結論有：質量比對錨索橫向渦激振動幅值影響很小，對約化速度范圍影響較大；阻尼比對約化速度范圍影響很小，對錨索渦激振動幅值影響較大；在低質量比的情況下，考慮錨索流向運動時，渦激振動幅值比不考慮時偏大。

關鍵詞：懸浮隧道錨索；渦激振動；數值模擬；動網格

中圖分類號：U459.5

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）03-0051-06

Parametric Analysis of the Cables Vortex-Induced

Vibration of Submerged Floating Tunnel

Luo Gang， Zhou Xiaojun，Wang Shuang

（MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P.R.China）

Abstract：

The cables motion was modeled by a spring-mass-damper system. The flow field was calculated by RSM combined with the enhanced wall function model and the vibration equation of the cable was solved by the Four Step Runge-Kutta Algorithm， which was written into FLUENT software to be analyzed. It was adopted to analyse the factors influencing vortex-induced vibration of submerged floating tunnel cable， such as mass ratio， damping ratio of the cable and whether to consider streamline movement. The main conclusion included： mass ratio has little influence on the transverse vortex induced vibration amplitude of the cable， but has a big influence on the region of the reduced velocity； damping ratio almost has little influence on the region of the reduced velocity of cables viv， but has an influence on the cables vibration amplitude significantly； In the case of low-mass ratio， considered the impact of the cable streamline movement， the transverse vortex-induced vibration amplitude is bigger than not considered the case.

Key words：

submerged floating tunnel cable； vortex-induced vibration； numerical simulation； dynamic mesh

水中懸浮隧道，其英文名稱為Submerged Floating Tunnel，簡稱SFT，又稱Archimedes橋[1]。顧名思義，這種隧道結構既不位于地層中也不穿過地層，而是懸浮在水面下一定深度，主要依靠自身結構的浮力或支持系統(tǒng)保證其在固定的位置，是一種跨越深水道的新概念。按照支撐方式的不同，懸浮隧道可分類為：下墩立柱式、下錨（錨索）式和水面浮筒式[2]。錨索式懸浮隧道對水下基礎的工程地質條件的適應性強，由于其柔性支撐，對地震、海嘯等自然災害的抵御能力強，具有相當廣闊應用前景。

錨索類似于海洋工程領域的拖纜、立管和張力腿等柔性海洋結構物，渦激振動（Vortex Induced Vibration，VIV）是此類結構物疲勞損壞的根源，錨索系統(tǒng)的渦激振動分析是懸浮隧道結構分析的重要組成部分。根據aimy線性微幅波理論，波浪力隨著水深成指數衰減，懸浮隧道一般置于水下30 m左右，此深度錨索的波浪力與水流力相比為微量[3]。因此，本文簡化處理只考慮均勻流誘發(fā)的漩渦導致錨索動力響應。

隨著計算流體力學（CFD）和多場耦合技術的發(fā)展，渦激振動的預報模式出現了2個分支：1）基于經驗參數模式；2）基于CFD預報模式。前者，流體力系數由系列實驗提取，將其按無量綱振幅與折合速度頻率整理成數據表，采用樣條曲線外推內插的方法擬合為公式，用于VIV的預報。在經驗預報模型中，具有代表性的是Harlten和Currie創(chuàng)立的尾流振子模型；基于CFD的VIV研究分為：渦方法[4]，RANS方法[5]，LES方法[6]，以及DNS法。4類方法的計算量依次增加，對計算機硬件要求越高，精度越高。其中，DNS法由于網格質量要求極高，目前只用于Reynold數低于O（104）的情況，離散渦方法對渦粘模式簡化形式決定了其計算精度，更多的研究集中在基于RANS和LES模式流體力系數的求解與結構分析耦合的VIV研究。

對于懸浮隧道錨索渦激振動研究成果主要表現在基于經驗參數計算方法，麥繼婷等[7]、葛斐等[8]、陳健云等[9]先后采用Morison方程計算錨索的流體力，通過Galerkin法和Hamilton原理求解振動方程，計算錨索渦激振動響應，并未考慮到錨索與流體之間的耦聯作用。本文首次將數值模擬方法和多場耦合技術引入錨索渦激振動分析。

1基本方程和計算模型

1.1基本方程

1.1.1流體控制方程將Naviar-Stokes方程中瞬時變量分解成平均量和脈動量2部分，利用雷諾應力法得到的動量方程和連續(xù)性方程如下式：

1.2計算模型

二維切片法是海洋立管和張力腿渦激振動分析方法，其核心是將三維結構系統(tǒng)簡化為多質點的彈簧質量阻尼的二維剛性體系。本文將此法引入懸浮隧道錨索的渦激振動分析，錨索等效模型如圖1（a）所示。

流場計算采用網格計算區(qū)域為20D×40D的矩形，結構中心位于笛卡爾坐標原點，上（下）邊界和左邊入口邊界到結構中心的距離為10D；右邊出口邊界到結構中心的距離為30D。模型邊界條件為：進口采用速度入口邊界（inlet）；出口采用自由出流邊界（outflow）；上下邊界采用自由滑移邊界（symmetry）；結構壁面采用無滑移邊界（wall），邊界條件、網格尺寸和計算區(qū)域的大小等無關性驗證同Kelkar[11]和Stansby[12]。網格分布為：錨索周圍2D范圍采用結構化邊界層網格，邊界層網格相對結構靜止且隨結構一起振動；遠壁面采用可變形的三角形非結構化網格，并利用尺寸函數控制網格的合理分布。近壁面網格如圖1（b）所示。流場求解采用RSM湍流模型結合增強壁面函數法。速度與壓力耦合方程采用SIMPLEC算法，對流項采用二階迎風格式。

具體耦合迭代模式為：在某一流場計算時間步Δt內，求解流場控制方程（1）得到錨索壁面壓力分布，并將表面壓力沿坐標軸投影得到錨索的升力FL（t）和FD（t），采用UDF（user defined function）編寫的四階Runge-Kutta法嵌入FLUENT求解方程式（3）和（4），得到下一迭代步開始時刻錨索的速度和位移，通過FLUENT中動網格宏DEFINE_CG_MOTION將錨索運動速度傳遞給網格，網格運動導致流場參數改變，進入下一迭代步計算，如此循環(huán)反復迭代。

2結果分析

2.1算法驗證

對比各種擬建懸浮隧道方案，選取錨索的主要參數如表2所示。

根據Feng[13]及Khalak等[14]的實驗，彈性支撐的低質量比剛性柱體的渦激振動幅值隨約化速度U*的增加，表現為初始分支（initial branch）、上端分支（upper branch）和下端分支（lower branch）。為驗證本文算法的可行性，圖2給出錨索渦激振動的無量綱幅值（Ymax/D）隨U*變化，并與實驗結果和其他算法進行比較分析。

由圖2可知，數值計算無量綱振幅與Juvtis等[15]試驗結果在初始分支和下端分子吻合較好，進一步驗證本文算法可行性；在約化速度U*=6.5時，本文計算下端分支最大振幅為Ymax/D=0.646，Juvtis等試驗結果下端分支最大值為Ymax/D=0.623，出現在約化速度U*=7.8。黃智勇等[16]數值計算結果比本文結果略小。

2.2質量比影響分析

假定ζ=0.001 8，保持剛度和直徑不變的條件下，通過改變錨索的密度，調整M*=2.4、7.8、20時，圖3給出了3種質量比錨索渦激振動幅值隨約化速度U*的變化。

從圖3可以看出，錨索橫向位移最大值（振幅）隨著約化速度先增加，之后渦激共振幅值保持在一定范圍內，在U*超過渦激振幅的范圍時，錨索渦激振動幅值明顯減少。在渦激共振區(qū)域，錨索渦激橫向振幅隨著質量比的變化不是很明顯，幾乎保持在一定幅值范圍內，不同的質量比渦激共振區(qū)域不同，質量比M*=2.4、7.8和20.0出現渦激共振對應的約化速度范圍為：[3.25，11.0]、[4.25，10]和[4.75，10]，質量比越小，渦激共振范圍越大，錨索更易發(fā)生渦激振動。

從圖4可看出，3種不同質量比的錨索對應的橫向振幅和頻率分別為：0.769 9和1.174 Hz；0.802 5和0.967 Hz；0.778和0.708 Hz。由此可知，在渦激共振區(qū)域，錨索橫向共振頻率隨質量比的增加而減少，而橫向振幅與質量比的關系不是很明顯，不同質量比渦激共振時橫向振幅大致在[0.76，0.81]。

2.3阻尼比影響分析

為分析阻尼比對錨索渦激振動的影響，假定M*=7.8，ζ=0、0.001 8、0.018條件下，圖5給出了錨索渦激振動幅值隨約化速度U*的變化關系。

從圖5可以看出，錨索橫向位移最大值（振幅）隨著約化速度先增加后減少，當4.2510.0時，錨索渦激振動幅值明顯減少。在渦激共振區(qū)域[4.25，10]，錨索渦激橫向振幅隨著阻尼比的增加而明顯減少，渦激共振區(qū)域幾乎不隨錨索阻尼的變化而改變。

限于篇幅，圖6僅給出了約化速度U*=7.0時，錨索渦激振動位移隨時間的變化關系。

從位移圖和頻率圖可看出，3種不同阻尼比的錨索對應的橫向振幅和頻率分別為：0.855和1.3 Hz；0.821和1.3 Hz；0.628 5和0.986 Hz。由此可知，在渦激共振區(qū)域，錨索橫向振幅隨阻尼比的增加而減少。比較圖6（b）和（c）的頻率圖可知，隨著阻尼比的增加，錨索渦激振動頻率由ζ=0.001 8的1.3 Hz下降到ζ=0.018的0.986 Hz，渦激振動周期增加。

2.4自由度影響分析

早期對高質量比的渦激振動研究中通常不考慮流向運動對橫向振動的影響。但是，在低質量比的情況下，流向運動對橫向振動的影響不可忽略。Sarpkaya[17]通過對質量比為7.0的兩自由度（橫流向和順流向）圓柱體渦激振動的實驗研究發(fā)現，兩自由度計算橫向振幅為單自由度計算結果的1.1倍。錨索一般采用鋼纜或者高分子纖維材料，其質量比小10。因此，有必要對兩自由度（考慮橫向和流向振動）渦激振動進行研究。假定ζ=0.001 8，M*=7.8時，圖7給出了錨索渦激振動幅值隨約化速度U*的變化關系。

從圖7可知，在質量比m*=7.8時，考慮錨索流向振動對橫向振動的影響比不考慮流向振動影響得到的錨索橫向振幅略有增加。除此之外，考慮流向振動影響，錨索橫向振動頻率鎖定所對應的約化速度范圍略有增加，不考慮流向振動時，錨索橫向振動頻率鎖定的約化速度范圍為[4.25，9.0]，當考慮流向振動之后，錨索橫向振動頻率鎖定范圍變?yōu)閇4.25，10.0]。

限于篇幅，圖8僅給出了約化速度U*=8.0時，錨索渦激振動位移隨時間的變化關系。

從位移圖和頻率圖可知，單自由度和兩自由度的錨索對應的橫向振幅和頻率分別為：0.908 2和1.059 Hz；0.943 3和1.238 Hz。由此可知，考慮流向對橫向振動的影響時，錨索在渦激共振區(qū)橫向振幅要大于單自由度的情況，考慮錨索流向運動對橫向振幅的影響，發(fā)生渦激共振時，共振頻率要小于單自由情況。

2.5來流速度影響

為討論流速對渦激振動的影響，假定ζ=0.001 8，M*=7.8的情況下，圖9給出了錨索渦激振動幅值隨約化速度U*的變化關系。

從圖9位移圖和頻率圖可知，3種不同約化速度的錨索對應的橫向振幅和頻率分別為：0.192和0.971 Hz；0.8401和1.1 Hz；0.021和2.71 Hz。由此可知，在渦激共振U*=6.5時，錨索橫向振幅和頻率均大于非共振情況。圖9（a）、（c）分別為2種典型非共振情況，從圖9（a）可以看出錨索橫向振動出現拍的現象，圖9（c）錨索橫向振動頻率遠離結構固有頻率，未發(fā)生渦激共振，橫向位移很小。

3結論

1）質量比也是影響錨索渦激振動的重要因數，雖然在低質量比條件下，質量比幾乎不改變渦激共振時錨索的橫向振幅，但是質量比越小，錨索渦激共振對應的約化速度范圍越大，錨索約容易發(fā)生渦激共振。

2）不同的阻尼對錨索橫向渦激振動的幅值影響很明顯，隨著阻尼比的增加，錨索渦激共振時的幅值減小，渦激共振區(qū)域幾乎不隨錨索阻尼的變化而改變。隨著阻尼比的增加，錨索渦激振動頻率隨著阻尼比的增加而減少，渦激振動周期增加。

3）在懸浮隧道錨索質量比較低的情況下，必須考慮錨索的順流向振動對錨索橫向振動的影響。除此之外，考慮錨索的流向振動將使錨索橫向渦激共振區(qū)域變大，導致錨索更易發(fā)生渦激共振。在頻率鎖定區(qū)域，考慮流向運動時，錨索的橫向振動幅值要大于不考慮的情況。

4）渦激共振發(fā)生時，錨索橫向振幅隨約化速度改變幾乎不變化，位移相位發(fā)生改變。流向位移隨約化速度增加而增加。

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