洋流作用下水中悬浮隧道的动力时程响应

摘要

在当今的交通发展的过程中，有许多方式可以供我们选择，比如汽车、轮船、飞机、铁道等，然而面对汪洋大海的时候，我们却往往只能通过轮船和飞机出行。现在我们发现了一种新的交通方式，那就是水中悬浮隧道。这种交通方式并不单单局限于水面还是水下，其力学特点是结合了自身的重力，水的浮力以及锚固体的拉力，三者同时作用以保证水中悬浮隧道自身的稳定。这种新型的交通结构有褚多的有点，比如它可以更灵活的布置在一些海峡水道中，经济性以及便捷效益更明显突出，建造费用也比以往的交通方式有明显的改善。正式这种潜在的巨大的工程效益价值，才值得我们去深入的研究水中悬浮隧道的各种特性，以至于水中悬浮隧道成为了当今隧道专业新的研究领域。
　　本研究主要内容包括：⑴概述悬浮隧道在水中的工作环境，并概括介绍国内外对水中悬浮隧道的研究进展，着重介绍水中悬浮隧道的力学响应研究进展情况；⑵介绍水中悬浮隧道与流体之间的流固耦合作用，并找出相应的解决思路，分析流固耦合的原理，以及流固耦合的求解方法;以及介绍大结构物在水中波浪作用下的力学响应，并给出基本的模拟思路；⑶讨论悬浮隧道的涡激效应产生的原理，分析涡激效应对悬浮隧道产生的影响，并分析作用的悬浮隧道上的主要的流体力，并给出响应的解决思路；⑷利用Ansys中的workbench模拟悬浮隧道的各种工况信息，分析在悬浮隧道上的应力应变关系，分析在水流力作用下悬浮隧道管段应力应变最大部位以及最先产生部位；⑸根据Fluent模拟分析悬浮隧道的涡激效应，求出流体力对悬浮隧道的作用，并给出阻力及升力主要的两种形式的力的变化情况，根据流场流体变化分析在不同深度以及流速下涡激场的不同；⑹根据模拟结果，综合之前的理论研究，最终得到水中悬浮隧道在流场中的应力应变变化关系以及流体荷载对悬浮隧道的作用，并得到水中悬浮隧道的动力响应机制，以及悬浮隧道周围的涡激效应的产生以及泯灭的过程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题提出

1．2 悬浮隧道简介

1．2．1 悬浮隧道的基本概念

1．2．2 悬浮隧道的特点

1．2．3 悬浮隧道与普通跨海交通方式的对比

1．2．4 悬浮隧道的基本类型

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 水中悬浮隧道流体荷载分析

1．5 研究内容及技术路线

1．5．1 主要的研究对象

1．5．2 技术路线

1．6 本章小结

2．1．1 流固耦合简述

2．1．2 建立流固耦合坐标系

2．2 流固耦合计算

2．2．1 流固耦合控制方程

2．2．2 流固耦合界面的数据传输

2．2．3 求解方法

2．3 耦合场分析

2．3．1 顺序弱耦合分析

2．3．2 顺序弱耦合分析的适用范围

2．3．3 分离式耦合法

2．4 作用在大尺度结构物上的波浪力理论

2．4．1 绕射理论

2．4．2 线性问题的控制方程

2．4．3 线性绕射波浪力

2．4．4 绕射系数

2．5 水平圆柱潜体上的波浪力

2．6 建立振动方程

2．7 按照牛顿第二定律建立振动方程

2．8 利用拉格朗日第二类公式建立方程

2．8．1 系统能量

2．8．2 由哈密尔顿原理推导拉格朗日第二类方程

2．9 本章小结

第三章 涡激效应分析及流体荷载分析

3．1 涡激效应

3．1．1 描述漩涡释放的几个理论参数

3．1．2 涡激振动的一些典型特点

3．1．3 涡激振动控制参数

3．2 流体作用力分析

3．2．1 解析法求流体动力

3．2．2 流体作用力的估算法

3．3 本章小结

第四章 水中悬浮隧道的动力时程响应数值分析

4．1 Ansys workbench软件简介

4．1．1 引言

4．1．2 Fluent模块简介

4．1．3 Fluent模块特点

4．2 建立悬浮隧道的几何模型

4．3 悬浮隧道的环境模拟

4．4 单向流固耦合

4．5 管段应力应变分析

4．6 涡激效应模拟

4．6．1 模拟结果

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与建议

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果