基于流固耦合的深海悬浮隧道悬浮动力响应影响研究

摘要

沟通海峡、海湾两侧的交通建筑在全球不同地方得到了广泛地应用，例如多种多样的海底隧道和跨海大桥。但这些传统的跨海通道在面对超宽阔的海峡是就显得没有什么可行性了。这就为新型的沟通海域两岸的交通方式——水中悬浮隧道的产生，提供了前提。
　　Submerged Floating Tunnel简称SFT，即水中悬浮隧道，这种新兴的沟通不同海域之间的交通方式，产生于二十世纪，它的原理在于达到隧道重力、隧道受到的浮力和隧道构架结构之间各种作用力的平衡，从而让隧道能够稳定在水中的某个深度下。这种新兴的沟通不同海域的交通方式有下面三种优势:第一，构建水中悬浮隧道受到的地理因素约束少。这是在于SFT对所在地的地理环境造成的影响小;第二，减少了交通时间和距离。相比于跨海大桥和海底隧道，SFT因为其构建位置的物理性质，使得在沟通相同的海峡之间，SFT的跨度最小;第三，同样的，SFT对所在地的生态环境影响是最小的。综合这些优点，SFT这种新兴的交通方式有着广泛的应用前景和市场价值。这也让这种交通方式，成为隧道研究的新方向。
　　对于SFT，本文进行了下面三项探索:
　　首先，对于Cnoidal理论、Stokes理论、Solitary理论等非线性波理论和线性波理论，进行了介绍。还介绍了波浪力作用理论，并着重介绍了Morison方程和该方程的适用范围和条件。
　　其次，对于SFT在水中受到的流体力学作用进行了说明。对于海水在SFT周边流动的时候造成的影响进行分析。对变形固体在流场作用下的力学原理、公式和方法进行了分析。然后给出了两种经典的流固耦合解析式，即迭代耦合和直接耦合。
　　最后对上面的力学原理和解析式进行了详细分析，并通过计算机辅助设备ADINA对流固耦合进行了求解和分析。然后描述了悬浮隧道有限元模型的建立过程，并在不同的工况下（不同的悬浮深度，不同的结构断面，不同的η取值，不同的洋流流速）进行了数值模拟。分析的不同影响因素下隧道管体的不同响应，得出了悬浮隧道动力响应的特点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 水中悬浮隧道的概念

1．2．1 水中悬浮隧道的特点

1．2．2 水中悬浮与典型跨海通道方案的比较

1．3 悬浮隧道国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 拟建和规划的悬浮隧道方案

1．4 本文研究内容与方法

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 主要研究方法

1．5 本章小结

第二章 海洋波浪对悬浮隧道管段作用分析

2．1 引言

2．2 波浪理论的基本方程

2．2．1 控制方程

2．2．2 边界条件

2．3 各种波浪理论简述

2．3．1 线性波浪理论(Airy波理论)

2．3．2 有限波幅理论(Stokes二阶近似有限波幅理论)

2．3．3 孤立波理论(Solitary波理论)

2．3．4 椭圆余弦波理论(Cnoidal波理论)

2．3．5 摆线波理论

2．4 各种波浪理论的使用范围

2．5 悬浮隧道的波浪作用力理论

2．5．1 概述

2．5．2 Morison方程与绕射理论的适用范围

2．5．3 Morison方程

2．6 本章小结

第三章 水流对悬浮隧道的作用研究及流固耦合基本原理

3．1 引言

3．2 水流对悬浮隧道作用效应分析

3．2．1 水流对隧道的单独作用

3．2．2 波浪和水流的联合作用

3．3 流固耦合基本原理

3．3．1 流固耦合概述

3．3．2 流固耦合的描方法

3．3．3 耦合运动控制方程

3．3．4 耦合界面上的数据传递

3．3．5 流固耦合求解方法

3．4 本章小结

第四章 悬浮隧道流固耦合数值分析

4．1 大型有限元软件ADINA简介

4．1．1 引言

4．1．2 ADINA软件的发展过程

4．1．3 ADINA的扩展功能

4．1．4 前后处理模块(ADINA-AUI)特点

4．1．5 ADINA分析能力

4．2 ADINA软件求解过程介绍

4．2．1 有限元软件基本操作

4．3 悬浮隧道流固耦合分析模型的建立

4．4 几何模型的建立

4．4．1 结构选型

4．4．2 模型计算参数及有限元模型的建立

4．5 不同的参数影响分析

4．5．1 不同的悬浮深度影响分析

4．5．2 不同的η取值的影响分析

4．5．3 隧道管段截面形式影响分析

4．5．4 洋流流速影响分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与建议

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果