沉管隧道管段浮运和沉放过程中流场和阻力特性的研究

摘要

修建水底隧道是工程界普遍认同的跨越航运繁忙的河道的第一选择。在现有的若干水底隧道施工方法中，沉管法由于其独特的优越性而成为主要工法。该工法包含复杂的水中作业，如浮运、沉放等，涉及到复杂的水动力学问题。这些问题对科学地制订施工方案和保证施工顺利进行十分关键，因此，研究隧道在浮运和沉放过程中的运动状态、水阻力特性和水作用力特征具有重要意义。 目前，国内外主要通过等截面管段模型试验进行研究，采用设计规范确定施工方案，存在一定的局限性。另外，本文的依托工程为广州市洲头咀沉管隧道工程，沉管包括等截面管段和变截面管段。由于变截面管段存在纵横向重心、浮心的不对称、不重合，使管段在浮运和沉放过程中的受力问题更加复杂。因此，需要采取理论分析、试验和数值模拟相结合的方法对此进行研究。 首先，设定管段为箱型浮体，应用流体力学、船舶在波浪上的运动理论等对管段浮运、沉放过程进行运动学和动力学分析，建立了相应的物理模型和数学模型，重点论述了管段的阻力特性和受力特征，以及波浪和风的作用。 其次，探讨了采用计算流体力学（CFD）求解管段浮运和沉放的水动力学问题的方法，阐述了计算三维流场分布、各项阻力和阻力系数以及力和力矩等的流体动力学控制方程、湍流的数值模拟方法，确定了进行数值模拟计算的Realizable k-ε模型和SST k-ω模型。 第三，采用STAR-CCM+和CFdesign软件分别对管段的浮运和沉放工况进行了数值模拟。首先选择与洲头咀隧道相距不远、环境条件相近、同样采用沉管法建造的珠江隧道进行了工程类比分析，对珠江隧道的模型试验进行了数值模拟，验证了计算模型的适定性；对作为洲头咀隧道工程的准1：1模型——生物岛沉管隧道，以及洲头咀沉管隧道本身的管段浮运和沉放过程进行了多种工况的模拟计算。模拟的条件包括无波浪和有波浪，风生波浪和非风生波浪等。结果表明： （1）对于浮体运动这类带有自由表面的流动问题，与k-ε模型相比，k-ω的改进模型SST k-ω模型具有更好的适用性和更好的收敛性能；将湍流强度和粘性率适当提高，能使计算结果收敛较好。 （2）在较低的流速和管段沉速下，流场中的压强分布与静水中的压强分布相差不大；水深对阻力系数的影响较明显，浅水中的浮运阻力系数大于深水中的。 （3）干舷值在0．05m～0．10m范围内变化，对阻力系数的影响最大为35．9％，最小为0．6％，平均为6％左右。该范围内的干舷值都应该能满足工程需求；在0．6m/s～1．2m/s的拖速范围内，沿管段拖运方向的阻力系数随着拖速的增加而减小，若增加工况进行更高拖速的数值模拟试验，Cx能出现类似“U”型的变化规律，“U”型最低处所对应的拖速，即为相对最优拖速。 （4）由于波浪的存在，管段拖动方向上的阻力系数增大。拖速越大，波浪的影响越明显。拖速从0．8m/s增加到1．2m/s，Cx与无波工况相比的增幅从0．79％增加到36．75％。考虑到模拟计算存在的误差，波浪引起的阻力系数的增幅的规律还有待进一步研究。 （5）在其它条件一定时，虽然变截面管段的迎流面积比等截面管段大，但是若前者更符合流线型，在某些工况下的阻力系数反而更小。适当的小角度定倾浮运能减小阻力系数，但是应以管段不失稳为前提；侧向倾斜的适宜定倾中心的确定有待进一步研究。 （6）随着管段的下沉以及水的横向流动，管段的尾流、靠近岸边的基槽上方会出现明显的漩涡，管段抵抗水平总阻力需要可靠的系泊系统；管段的迎流面和背流面的漩涡的强度此消彼长，所需的系泊力随之发生动态变化。由于管段下沉，接近基槽的水重度加大且向两边挤压流出，导致所需的起吊力变化复杂。系泊力和起吊力都随着下沉深度的增加而逐步减少。在一定的沉放深度下，水平总系泊力和竖向总起吊力都随流速的增加而增加。本文中，沉速0．45m/min时，管段所需的系泊力和起吊力均较小，在沉放速度区间0．4m/min～0．5m/min内，该沉速是个相对合理值。 （7）变截面管段由于迎流面积的加大，绕流更加复杂，尾流区的范围明显大于等截面管段，二者的系泊力随着管段的下沉呈现出交替领先的情况。二者的系泊力和起吊力都随管段的下沉而逐步减少。 上述研究工作将为制订洲头咀隧道工程的管段的浮运和沉放施工方案提供很好的基础。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章 绪论

1.1 沉管隧道的概述

1.1.1 沉管隧道的定义

1.1.2 沉管隧道的关键技术

1.1.3 沉管隧道的发展和应用

1.2 沉管隧道管段浮运沉放的水动力学问题研究现状

1.2.1 理论分析

1.2.2 模型试验

1.2.3 数值模拟

1.3 论文研究的背景

1.4 主要研究内容及技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

第二章 沉管隧道浮运和沉放的水动力特性

2.1 引言

2.2 隧道管段在静水中浮运的阻力特性

2.2.1 浮运运动模型及受力分析

2.2.2 浮运阻力特性

2.2.3 稳定性分析

2.3 波浪与风对隧道管段水动力特性的影响

2.3.1 研究波浪和风对浮体运动作用的方法

2.3.2 隧道管段在波浪和风作用下的受力性能

2.4 隧道管段在沉放过程中的受力特性

2.4.1 沉放运动模型及受力分析

2.4.2 沉放运动方程

2.4.3 沉放受力分析

第三章 沉管隧道浮运和沉放的流体动力学数值模拟

3.1 引言

3.1.1 概述

3.1.2 计算流体力学(CFD)的发展

3.2 流体动力学控制方程

3.2.1 质量守恒方程(连续性方程)

3.2.2 动量守恒方程(Navier-Stokes方程)

3.3 湍流的数值模拟方法

3.3.1 直接数值模拟(DNS)

3.3.2 大涡模拟(LES)

3.3.3 Reynolds平均法(RAYS)

第四章 沉管隧道管段浮运的数值模拟及分析

4.1 浮运数值模拟软件简介

4.1.1 STAR-CCM+软件

4.1.2 VOF(Volume of Fluid)物理模型

4.2 珠江隧道管段浮运的模型试验与数值模拟

4.2.1 管段浮运的模型试验

4.2.2 管段浮运的数值模拟

4.2.3 模型试验与数值模拟结果的对比分析

4.3 生物岛隧道等截面管段浮运的数值模拟

4.3.1 生物岛隧道概况

4.3.2 管段浮运的数值模拟计算

4.3.3 数值模拟结果及其分析

4.4 洲头咀隧道变截面管段浮运的数值模拟

4.4.1 管段浮运的数值模拟计算

4.4.2 数值模拟结果及其分析

第五章 沉管隧道管段沉放的数值模拟及分析

5.1 沉放数值模拟软件简介

5.1.1 CFdesign软件

5.1.2 运动模块

5.2 珠江隧道管段沉放的模型试验与数值模拟

5.2.1 管段沉放的水池试验

5.2.2 管段沉放的数值模拟

5.2.3 模型试验与数值模拟结果的对比分析

5.3 生物岛隧道等截面管段沉放的数值模拟

5.3.1 管段沉放过程

5.3.2 管段沉放的数值模拟计算

5.3.3 数值模拟结果及其分析

5.4 洲头咀隧道变截面管段沉放的数值模拟

5.4.1 管段沉放的数值模拟计算

5.4.2 数值模拟结果及其分析

结论与展望

参考文献

作者简历