逃生装置对水中悬浮隧道水动力的影响

摘要

给出悬浮隧道安全逃生装置的概念设计。针对悬浮隧道的安全系统存在的问题,提出在悬浮隧道外侧设置可分离式的逃生装置,给出可应用的逃生装置概念设计,为悬浮隧道安全问题研究提供一个新的思路。
　　 运用计算流体动力学方法,研究了在均匀流和振荡流环境下逃生装置的设置对悬浮隧道水流荷载的影响。基于FLUENT求解器二次开发,模拟水流作用下悬浮隧道周围的流场,计算水流荷载。数值模拟结果表明:在均匀流环境下,当流速在0.4m/s至1.4m/s之间逃生装置的设置较大地减小水流荷载;在振荡流环境下,逃生装置的设置对悬浮隧道所受的水流荷载影响很小,可以忽略。在均匀流环境下逃生装置的对称布设使悬浮隧道断面近似流线型,故能在一定程度上减弱水流荷载,而在振荡流环境下由于流体速度周期变化使得悬浮隧道上下流场变化频繁,逃生装置的设置对悬浮隧道的水流荷载影响很小。
　　 数值模拟研究波浪环境下逃生装置对水中悬浮隧道水动力的影响。波浪理论采用线性波和二阶Stokes波,自由波面跟踪采用体积份数法(VOF),湍流模型采用标准的κ-ε双方程模型,控制方程采用时均雷诺N-S方程(RANS)。数值模拟结果表明,在线性波和二阶Stokes波环境下,设置逃生装置后悬浮隧道水平向和垂向波浪力都有一定幅度增大,增幅在10％到60%之间,与水流环境下逃生装置对悬浮隧道水动力的影响规律不同。在逃生装置应用于工程实践时需要考虑其对悬浮隧道波浪荷载的影响。
　　 基于多极子势展开法给出有限水深开口球形结构的绕射问题解析解。运用多极子势展开法将球形结构内外场展开成无限系列单参数解族,通过内外场匹配条件和壁面条件得到含有无限个待求参数的方程系列。用截断法对无限系列方程组进行求解,获得速度势的近似解。在此基础上,进一步数值模拟研究球形结构表面的动水压力和波浪激励力与开口角度之间的关系。数值结果表明,开口角度对结构的迎波面的动水压力影响较小,对背波面的动水压力影响较大;当开口角度小于0.4时结构上的激励力变化不大。
　　 在势流理论框架下发展一种求解有限水深开口球形结构的辐射问题的解析方法。采用多极子势展开法将球形结构内外场展开成含一系列待定参数的无穷级数,运用球形结构壁面辐射条件和开口处流场匹配条件,建立含双系列参数的方程组。用截断法对无限系列方程组进行求解,获得速度势的近似解。数值模拟垂荡运动的附加质量和辐射阻尼,附加质量和阻尼系数随开口角度变大而增加,附加质量比辐射阻尼变化更为显著,当θb=ψh=θ=0.4,附加质量增大近10%:当开口角度增大时无量纲附加质量系数有增大趋势,而随Ka增大不同开口角度的无量纲辐射阻尼系数差异逐渐减小。
　　 文中给出开口球形结构的绕射、辐射问题解析解,可用来优化球形逃生装置结构外形,也可对海洋工程中非完整球形结构(如船舶球首)进行优化分析。另外,文中给出的解析解还可用来校核不同数值方法的有效性及计算效率。