水下懸浮隧道纜索模態分析

楊國彬+陳舸

摘 要：文章在Gambit上建立虛擬的流場模型，在此模型上劃分網格，最后導入Fluent并進行計算，得出與水下懸浮隧道尺寸相對應的海流的拖曳力系數，對水下懸浮隧道纜索的固有振型、固有頻率和固有周期進行了計算，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行了模態分析，得到了誘發纜索發生一階和二階模態振動的海流流速，為將來研究水下懸浮隧道纜索的動態響應打下了基礎。

關鍵詞：水下懸浮隧道；纜索；模態分析

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

水下懸浮隧道是現今仍處于理論分析階段的技術，當今世上并無已建成或批準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外諸多學者研究的焦點。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生渦激振動的情況；李劍[2]對水下懸浮隧道的錨索發生渦激鎖定時的流速進行了簡單的探討；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力做出了分析計算；葛菲等研究了管段運動誘發的參數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，選用的參數依據國外擬建的水下懸浮隧道，經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，為進一步研究錨索式水下懸浮隧道纜索的優化和動態響應夯實了基礎。

1 水流拖曳力系數的計算

水下懸浮隧道設于海表下面40m，因其尺寸很大，選用的研究對象不符合Morison公式的應用條件，所以，必須對海流參數做出分析計算。本文通過Gambit建立流場模型，并將劃分好的網格導入Fluent中進行計算，以便求得海流的拖曳力系數。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。下面劃分網格。將入口設為VELOCITY_INLET，出口定為OUTFLOW，圓柱體設為WALL，邊界設為WALL。

把劃分后的網格導到Fluent中，同時微調計算域的尺寸，選取計算模型為標準k-著模型，計算結果如下圖所示：

由圖1可知，上述流場的拖曳力系數趨于恒定，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，后續的運算中使用該拖曳力系數。

2 纜索的模態分析

2.1 參數的選取

本文參數根據國外擬建的水下懸浮隧道的設計值，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，單位長度質量1474.23kg/m，六對纜索在水下懸浮隧道的管段上等距設置，索鏈傾角60°，模型見圖2。

2.2 分析計算

從圖3中可知，當水流速度在1.4m/s時， 處于水下懸浮狀態的隧道纜索會發生一階模態的振動，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，當流速達到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，當流速是2.4m/s時，纜索的振幅變為0.0687m，達到最小。

從圖4中可知，水流速度為2.7m/s時，處于水下懸浮狀態的隧道纜索會發生二階模態的振動，纜索的振幅約是0.054m，此時振幅很小；此后，纜索的振幅會隨著水流速度的變快而慢慢變大，當流速達到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，纜索出現一階模態振動，隨后發生渦激鎖定，等到流速是2.4m/s時，渦激鎖定消失。接著，纜索發生不規則的運動。當流速是2.7m/s時，水下懸浮隧道纜索出現二階模態振動，隨后又出現渦激鎖定，在選定的速度區間里渦激鎖定沒有消失。

與最初的預判比較，預判的一階模態振動與二階模態振動出現了，但三階模態振動并沒有在模擬計算中出現，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。

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

3 結束語

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。結果證明，流速是1.4m/s～2.4m/s時，流體將誘導索纜發生一階模態振動，流速是2.0m/s時，一階模態振動振幅最大；當流速是2.7m/s～4.0m/s時，將誘導索纜發生二階模態振動，且在選定的速度區間里，流速愈大，二階模態振動的振幅愈大。

參考文獻：

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

[2]李劍.水中懸浮隧道概念設計及其關鍵技術研究[D].上海：同濟大學，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.