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懸浮隧道工程技術(shù)研究 版權(quán)信息
- ISBN：9787030701787
- 條形碼：9787030701787 ; 978-7-03-070178-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
懸浮隧道工程技術(shù)研究 本書特色
適讀人群 ：高等院校橋隧工程、結(jié)構(gòu)工程、海洋和海岸工程等專業(yè)師生及相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員內(nèi)容包括水流作用、波浪作用等方面的討論分析，數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)結(jié)合，具有一定的參考價(jià)值
懸浮隧道工程技術(shù)研究 內(nèi)容簡介
本書是中交懸浮隧道結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法研究攻關(guān)組對懸浮隧道工程技術(shù)研成果的整理，內(nèi)容涉及懸浮隧道的水流作用、波浪作用、彈振問題、結(jié)構(gòu)受力、靜力計(jì)算、實(shí)驗(yàn)工程等。通過構(gòu)建模型對懸浮隧道的水流、波浪結(jié)構(gòu)受力等方面進(jìn)行了模擬計(jì)算，從而為今后懸浮隧道的設(shè)計(jì)提供參考。另外，本書還介紹了懸浮隧道的建造方法和關(guān)鍵技術(shù)，以及未來進(jìn)一步需要研究的方向。
懸浮隧道工程技術(shù)研究 目錄
目錄
前言
1 懸浮隧道與水流作用 1
1.1 懸浮隧道斷面繞流特征 1
1.1.1 研究方法 1
1.1.2 斷面繞流CFD模擬 2
1.1.3 典型斷面繞流分析 9
1.2 懸浮隧道渦激振動(dòng)問題 16
1.2.1 研究方法 16
1.2.2 渦激振動(dòng)CFD模擬 16
1.2.3 水下自由衰減 24
1.2.4 纜索剛度對渦激振動(dòng)影響 25
1.2.5 典型斷面渦激振動(dòng)分析 27
1.3 渦激振動(dòng)雙尾流振子模型 34
1.3.1 雙尾流振子方程 35
1.3.2 方程求解算法 37
1.3.3 模型參數(shù)擬合及驗(yàn)證 39
1.3.4 應(yīng)用到整體結(jié)構(gòu)分析的構(gòu)想 41
1.4 懸浮隧道平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬 42
1.4.1 平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)原理 43
1.4.2 強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)CFD模擬 45
1.4.3 典型斷面附加質(zhì)量系數(shù) 49
2 懸浮隧道與波浪作用 51
2.1 波浪荷載計(jì)算方法 51
2.1.1 Morison方程 51
2.1.2 勢流理論 53
2.2 縱向線形與波浪荷載 55
2.2.1 多向不規(guī)則波荷載 56
2.2.2 懸浮隧道方向角度 61
2.2.3 懸浮隧道縱向坡度 62
2.2.4 懸浮隧道線形曲率 63
2.3 橫斷面形狀與波浪荷載 65
2.3.1 橫斷面波浪力計(jì)算模型 65
2.3.2 淹沒深度對波浪力影響 68
2.3.3 斷面形狀對波浪力影響 68
2.3.4 斷面寬度對波浪力影響 69
2.3.5 雙管斷面間距對波浪力影響 70
2.3.6 斷面繞射系數(shù)比較 71
2.4 船行波荷載計(jì)算 72
2.4.1 計(jì)算方法 72
2.4.2 算例分析 73
2.5 內(nèi)波荷載計(jì)算 76
2.5.1 計(jì)算方法 76
2.5.2 內(nèi)波荷載計(jì)算 78
2.6 Morison方程計(jì)算波流荷載 79
2.6.1 計(jì)算方法 80
2.6.2 算例分析 81
2.7 海震問題 83
2.7.1 計(jì)算方法 83
2.7.2 算例分析 85
3 彈振問題與臨界凈浮力 88
3.1 彈振問題研究流程 88
3.2 彈振發(fā)生判斷 89
3.2.1 彈振判斷標(biāo)準(zhǔn) 89
3.2.2 彈振判斷方法 90
3.3 臨界凈浮力快速判斷 93
3.3.1 不考慮纜索重量臨界凈浮力 93
3.3.2 帶垂度的纜索動(dòng)力分析方法討論 96
3.4 波浪作用下臨界凈浮力快速計(jì)算 96
3.4.1 管節(jié)真實(shí)剛度 97
3.4.2 波浪作用力 97
3.4.3 臨界凈浮力計(jì)算方法 98
4 橫斷面初步擬定與評估 100
4.1 橫斷面初步擬定 100
4.1.1 橫斷面初步擬定方法 100
4.1.2 橫斷面初步擬定實(shí)例 105
4.2 橫斷面力學(xué)性能評估 109
4.2.1 評估方法 109
4.2.2 橫斷面力學(xué)性能評估 111
4.2.3 外包鋼殼方案 113
4.3 管壁截面力學(xué)性能評估程序 116
4.3.1 程序原理 116
4.3.2 火災(zāi)作用 120
4.3.3 力學(xué)性能分析 124
5 縱向結(jié)構(gòu)受力數(shù)值計(jì)算 131
5.1 懸浮隧道有限元模型 131
5.1.1 模型基本情況 131
5.1.2 APDL命令流建模 132
5.2 縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)與規(guī)律 137
5.2.1 懸浮隧道縱向線形 138
5.2.2 懸浮隧道剛度 141
5.2.3 浮重比 147
5.2.4 基礎(chǔ)沉降 149
5.2.5 纜索失效 151
5.3 多錨固方案布置分析 152
5.3.1 錨固方案及評價(jià)指標(biāo) 153
5.3.2 計(jì)算方法 154
5.3.3 錨固方案評價(jià) 154
5.4 縱向結(jié)構(gòu)理論分析 160
5.4.1 數(shù)學(xué)模型 160
5.4.2 撓度計(jì)算 162
5.4.3 自振頻率計(jì)算 166
5.5 施工過程結(jié)構(gòu)參數(shù)分析 168
5.5.1 研究內(nèi)容 168
5.5.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析 171
5.5.3 評價(jià)參數(shù).175
6 懸浮隧道靜力設(shè)計(jì)計(jì)算 177
6.1 荷載分類 177
6.1.1 永久荷載 177
6.1.2 可變荷載 177
6.1.3 偶然荷載 178
6.2 荷載組合 178
6.2.1 承載能力極限狀態(tài)基本組合（ULS） 178
6.2.2 承載能力極限狀態(tài)偶然組合（ALS） 179
6.2.3 正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合（SLS） 180
6.3 懸浮隧道縱向設(shè)計(jì)計(jì)算 181
6.3.1 算例概況 182
6.3.2 荷載取值 182
6.3.3 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算模型 193
6.3.4 計(jì)算結(jié)果 205
6.4 典型橫斷面設(shè)計(jì)計(jì)算 213
6.4.1 典型橫斷面概況 213
6.4.2 荷載取值 214
6.4.3 典型橫斷面計(jì)算模型 223
6.4.4 計(jì)算結(jié)果分析方法 224
7 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析問題 229
7.1 結(jié)構(gòu)縱向動(dòng)力模型 229
7.1.1 水阻尼 229
7.1.2 附加水質(zhì)量 232
7.2 波浪動(dòng)荷載分析方法 234
7.2.1 規(guī)則波荷載施加 234
7.2.2 不規(guī)則波荷載施加 236
7.2.3 工程規(guī)律探索 237
7.3 車輛荷載分析 238
7.3.1 靜力分析 239
7.3.2 動(dòng)力分析 242
7.4 纜索疲勞問題 247
7.4.1 疲勞壽命模型 247
7.4.2 疲勞分析計(jì)算 248
7.5 錨索參數(shù)共振 251
7.5.1 理論介紹 251
7.5.2 方程求解 253
7.5.3 工程規(guī)律探索 254
8 懸浮隧道實(shí)驗(yàn)工程研究 256
8.1 介紹 256
8.2 建造方法與關(guān)鍵技術(shù) 256
8.2.1 總體描述 256
8.2.2 整體預(yù)制與漂浮寄存 257
8.2.3 沉井岸邊接頭 258
8.2.4 混凝土沉船與定長錨纜 258
8.2.5 整體安裝 259
8.2.6 快速連接與長度調(diào)節(jié) 260
8.2.7 壓載、卸載與體系轉(zhuǎn)換 260
8.2.8 去大型設(shè)施、小型可陸運(yùn)裝配化綠色施工 260
8.2.9 主要工程量與工期估算 261
8.3 “本質(zhì)安全”與基本計(jì)算 261
8.3.1 計(jì)算假設(shè)與參數(shù)取值 262
8.3.2 主要結(jié)果 262
8.4 需要進(jìn)一步開展的工作 264
參考文獻(xiàn) 265
彩圖 269
前言
1 懸浮隧道與水流作用 1
1.1 懸浮隧道斷面繞流特征 1
1.1.1 研究方法 1
1.1.2 斷面繞流CFD模擬 2
1.1.3 典型斷面繞流分析 9
1.2 懸浮隧道渦激振動(dòng)問題 16
1.2.1 研究方法 16
1.2.2 渦激振動(dòng)CFD模擬 16
1.2.3 水下自由衰減 24
1.2.4 纜索剛度對渦激振動(dòng)影響 25
1.2.5 典型斷面渦激振動(dòng)分析 27
1.3 渦激振動(dòng)雙尾流振子模型 34
1.3.1 雙尾流振子方程 35
1.3.2 方程求解算法 37
1.3.3 模型參數(shù)擬合及驗(yàn)證 39
1.3.4 應(yīng)用到整體結(jié)構(gòu)分析的構(gòu)想 41
1.4 懸浮隧道平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬 42
1.4.1 平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)原理 43
1.4.2 強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)CFD模擬 45
1.4.3 典型斷面附加質(zhì)量系數(shù) 49
2 懸浮隧道與波浪作用 51
2.1 波浪荷載計(jì)算方法 51
2.1.1 Morison方程 51
2.1.2 勢流理論 53
2.2 縱向線形與波浪荷載 55
2.2.1 多向不規(guī)則波荷載 56
2.2.2 懸浮隧道方向角度 61
2.2.3 懸浮隧道縱向坡度 62
2.2.4 懸浮隧道線形曲率 63
2.3 橫斷面形狀與波浪荷載 65
2.3.1 橫斷面波浪力計(jì)算模型 65
2.3.2 淹沒深度對波浪力影響 68
2.3.3 斷面形狀對波浪力影響 68
2.3.4 斷面寬度對波浪力影響 69
2.3.5 雙管斷面間距對波浪力影響 70
2.3.6 斷面繞射系數(shù)比較 71
2.4 船行波荷載計(jì)算 72
2.4.1 計(jì)算方法 72
2.4.2 算例分析 73
2.5 內(nèi)波荷載計(jì)算 76
2.5.1 計(jì)算方法 76
2.5.2 內(nèi)波荷載計(jì)算 78
2.6 Morison方程計(jì)算波流荷載 79
2.6.1 計(jì)算方法 80
2.6.2 算例分析 81
2.7 海震問題 83
2.7.1 計(jì)算方法 83
2.7.2 算例分析 85
3 彈振問題與臨界凈浮力 88
3.1 彈振問題研究流程 88
3.2 彈振發(fā)生判斷 89
3.2.1 彈振判斷標(biāo)準(zhǔn) 89
3.2.2 彈振判斷方法 90
3.3 臨界凈浮力快速判斷 93
3.3.1 不考慮纜索重量臨界凈浮力 93
3.3.2 帶垂度的纜索動(dòng)力分析方法討論 96
3.4 波浪作用下臨界凈浮力快速計(jì)算 96
3.4.1 管節(jié)真實(shí)剛度 97
3.4.2 波浪作用力 97
3.4.3 臨界凈浮力計(jì)算方法 98
4 橫斷面初步擬定與評估 100
4.1 橫斷面初步擬定 100
4.1.1 橫斷面初步擬定方法 100
4.1.2 橫斷面初步擬定實(shí)例 105
4.2 橫斷面力學(xué)性能評估 109
4.2.1 評估方法 109
4.2.2 橫斷面力學(xué)性能評估 111
4.2.3 外包鋼殼方案 113
4.3 管壁截面力學(xué)性能評估程序 116
4.3.1 程序原理 116
4.3.2 火災(zāi)作用 120
4.3.3 力學(xué)性能分析 124
5 縱向結(jié)構(gòu)受力數(shù)值計(jì)算 131
5.1 懸浮隧道有限元模型 131
5.1.1 模型基本情況 131
5.1.2 APDL命令流建模 132
5.2 縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)與規(guī)律 137
5.2.1 懸浮隧道縱向線形 138
5.2.2 懸浮隧道剛度 141
5.2.3 浮重比 147
5.2.4 基礎(chǔ)沉降 149
5.2.5 纜索失效 151
5.3 多錨固方案布置分析 152
5.3.1 錨固方案及評價(jià)指標(biāo) 153
5.3.2 計(jì)算方法 154
5.3.3 錨固方案評價(jià) 154
5.4 縱向結(jié)構(gòu)理論分析 160
5.4.1 數(shù)學(xué)模型 160
5.4.2 撓度計(jì)算 162
5.4.3 自振頻率計(jì)算 166
5.5 施工過程結(jié)構(gòu)參數(shù)分析 168
5.5.1 研究內(nèi)容 168
5.5.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析 171
5.5.3 評價(jià)參數(shù).175
6 懸浮隧道靜力設(shè)計(jì)計(jì)算 177
6.1 荷載分類 177
6.1.1 永久荷載 177
6.1.2 可變荷載 177
6.1.3 偶然荷載 178
6.2 荷載組合 178
6.2.1 承載能力極限狀態(tài)基本組合（ULS） 178
6.2.2 承載能力極限狀態(tài)偶然組合（ALS） 179
6.2.3 正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合（SLS） 180
6.3 懸浮隧道縱向設(shè)計(jì)計(jì)算 181
6.3.1 算例概況 182
6.3.2 荷載取值 182
6.3.3 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算模型 193
6.3.4 計(jì)算結(jié)果 205
6.4 典型橫斷面設(shè)計(jì)計(jì)算 213
6.4.1 典型橫斷面概況 213
6.4.2 荷載取值 214
6.4.3 典型橫斷面計(jì)算模型 223
6.4.4 計(jì)算結(jié)果分析方法 224
7 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析問題 229
7.1 結(jié)構(gòu)縱向動(dòng)力模型 229
7.1.1 水阻尼 229
7.1.2 附加水質(zhì)量 232
7.2 波浪動(dòng)荷載分析方法 234
7.2.1 規(guī)則波荷載施加 234
7.2.2 不規(guī)則波荷載施加 236
7.2.3 工程規(guī)律探索 237
7.3 車輛荷載分析 238
7.3.1 靜力分析 239
7.3.2 動(dòng)力分析 242
7.4 纜索疲勞問題 247
7.4.1 疲勞壽命模型 247
7.4.2 疲勞分析計(jì)算 248
7.5 錨索參數(shù)共振 251
7.5.1 理論介紹 251
7.5.2 方程求解 253
7.5.3 工程規(guī)律探索 254
8 懸浮隧道實(shí)驗(yàn)工程研究 256
8.1 介紹 256
8.2 建造方法與關(guān)鍵技術(shù) 256
8.2.1 總體描述 256
8.2.2 整體預(yù)制與漂浮寄存 257
8.2.3 沉井岸邊接頭 258
8.2.4 混凝土沉船與定長錨纜 258
8.2.5 整體安裝 259
8.2.6 快速連接與長度調(diào)節(jié) 260
8.2.7 壓載、卸載與體系轉(zhuǎn)換 260
8.2.8 去大型設(shè)施、小型可陸運(yùn)裝配化綠色施工 260
8.2.9 主要工程量與工期估算 261
8.3 “本質(zhì)安全”與基本計(jì)算 261
8.3.1 計(jì)算假設(shè)與參數(shù)取值 262
8.3.2 主要結(jié)果 262
8.4 需要進(jìn)一步開展的工作 264
參考文獻(xiàn) 265
彩圖 269
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懸浮隧道工程技術(shù)研究 節(jié)選
1 懸浮隧道與水流作用 水流廣泛存在于海洋當(dāng)中，海洋潮汐、海水密度變化，或者海面因風(fēng)、氣壓、降水或河水流入，海水?dāng)D壓或分散引起補(bǔ)償流等都會(huì)引起水體流動(dòng)。懸浮隧道在建設(shè)和運(yùn)營過程中難免會(huì)遭受水流荷載，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮水流作用對其結(jié)構(gòu)安全的影響。根據(jù)橋墩、海洋平臺(tái)等水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，水流作用下懸浮隧道水動(dòng)力荷載的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，以及是否發(fā)生渦激振動(dòng)是設(shè)計(jì)中比較關(guān)心的兩個(gè)問題。能否通過優(yōu)化懸浮隧道管體斷面形狀，以減輕水流荷載和避免渦激共振產(chǎn)生，也是值得研究的問題。 本章考慮懸浮隧道管節(jié)處于均勻流中，且忽略錨索對懸浮隧道流體力的影響，將水流對懸浮隧道管體作用簡化為二維問題，針對上述水流荷載準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和管體渦激振動(dòng)問題進(jìn)行了學(xué)習(xí)探究。 1.1 懸浮隧道斷面繞流特征 目前對懸浮隧道水流荷載的計(jì)算主要借鑒各國船級社和海洋石油規(guī)范中對海底管線的計(jì)算方法，即基于 Morison方程的近似計(jì)算方法，其準(zhǔn)確的計(jì)算取決于諸如阻力、升力等水動(dòng)力參數(shù)的選取。各國規(guī)范給出了水動(dòng)力參數(shù)的取值范圍，可以作為指導(dǎo)海洋工程荷載設(shè)計(jì)的依據(jù)，也可以參考港口工程荷載規(guī)范，按照結(jié)構(gòu)物的形狀參數(shù)選取阻力系數(shù)。但是實(shí)際懸浮隧道結(jié)構(gòu)尺寸大、實(shí)際繞流雷諾數(shù)大，傳統(tǒng)的規(guī)范中水動(dòng)力參數(shù)的取值已經(jīng)不能滿足懸浮隧道設(shè)計(jì)需要，且懸浮隧道斷面形式多種多樣，結(jié)構(gòu)不同的斷面形式繞流場中的水動(dòng)力參數(shù)差別很大。因此，針對懸浮隧道這種新型結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其水流作用下的繞流特征，有利于準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其阻力系數(shù) CD 和升力系數(shù) CL ，用于水流荷載計(jì)算；同時(shí)還可以通過各斷面間繞流特征的比較，指導(dǎo)和優(yōu)化橫斷面外輪廓形狀設(shè)計(jì)。 1.1.1 研究方法 在工程應(yīng)用中，圓形和方形類的斷面形式繞流較為常見。圓形繞流發(fā)生時(shí)，尾部的繞流流動(dòng)區(qū)域可以分為兩個(gè)部分，即邊界層區(qū)和主流區(qū)，在邊界層中流體黏性產(chǎn)生的摩擦力起主導(dǎo)作用，而在主流區(qū)的流動(dòng)可以視為理想流體，黏性摩擦力可以忽略；由于物體表面的不可滑移，從物面到自由流動(dòng)之間將形成一段有速度梯度的流動(dòng)；流體在到達(dá)圓柱的*高點(diǎn)時(shí)，流速*大，壓力*小；經(jīng)過圓柱的后半部分時(shí)，壓力逐漸增加，流速減小；邊界層中由于黏性的存在，運(yùn)動(dòng)較慢的質(zhì)點(diǎn)將受到更為強(qiáng)烈的阻滯；主流由于流速?zèng)]有受到影響，可以繼續(xù)向前流動(dòng)；而靠近邊界的流體受到主流的影響，將折回而倒流，從而產(chǎn)生了流動(dòng)分離。根據(jù)其雷諾數(shù)差別，所形成的分離層迅速地盤繞起來成為一個(gè)或多個(gè)漩渦。由于圓柱尾跡中存在交替釋放的漩渦，圓柱會(huì)受到橫向的脈動(dòng)升力作用，引發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。 由于黏性的存在，圓形繞流存在流動(dòng)分離，傳統(tǒng)的勢流方法已經(jīng)不能對其做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)一般采取計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法。本書擬采用 CFD方法，通過 Fluent（CFD軟件）對懸浮隧道管體斷面繞流現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬。相較于物理模型試驗(yàn)方法，采用 CFD方法的研究成本更低，周期更短，同時(shí)還能觀測更多指標(biāo)，如渦旋、流線等。 CFD方法模擬結(jié)構(gòu)與流體的相互作用，其本質(zhì)是通過數(shù)值方法求解流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，獲得結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力及周圍的流場分布。又由于湍流的渦尺度非常小，如果直接計(jì)算動(dòng)量方程，則計(jì)算域需要?jiǎng)澐址浅Ｃ艿木W(wǎng)格捕捉小尺度渦，受限于計(jì)算能力及從節(jié)省計(jì)算成本考慮，通常會(huì)在動(dòng)量方程中引入湍流模型。例如，式（1-1）為描述三維不可壓黏性流場的連續(xù)性方程及雷諾平均動(dòng)量（RANS）方程（王福軍，2004）。 （1-1） 式中，xi為坐標(biāo)系第 i方向的坐標(biāo)； ui和 uj為平均速度；p為平均壓強(qiáng)；為動(dòng)力黏性系數(shù)；為雷諾應(yīng)力。 1.1.2 斷面繞流 CFD模擬 以式（1-1）為控制方程，對懸浮隧道斷面繞流特征進(jìn)行數(shù)值模擬。本書的斷面繞流數(shù)值模擬是通過計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent完成。使用 Fluent數(shù)值求解水動(dòng)力問題時(shí)，基本設(shè)置流程如下。 ①通用設(shè)置：選擇湍流模型、液面追蹤方法等控制方程。 ②計(jì)算域：給出計(jì)算流體區(qū)域。 ③網(wǎng)格劃分：對計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分，即離散控制方程，需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。 ④邊界條件：給出控制方程的邊界條件，如墻壁、壓力入口、速度入口等。 ⑤初始條件：對流場進(jìn)行初始化，即給出 t =0時(shí)流場。 ⑥數(shù)據(jù)監(jiān)測：對流場中關(guān)心的數(shù)據(jù)，如壓力、流速等設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。 ⑦求解設(shè)置：選擇數(shù)值方法，如控制方程離散方法、求解方法、時(shí)間步長等。下面以直徑1m的圓形斷面為例，對斷面繞流 CFD模擬方法進(jìn)行介紹。 1.模型概述 模型的計(jì)算域尺寸、邊界條件及坐標(biāo)系的定義見圖1-1。為確保邊界對斷面周圍流場無影響，斷面距離邊界留足夠距離。計(jì)算域連同懸浮隧道模型斷面在計(jì)算中保持靜止不動(dòng)，而流體以速度U0流向模型斷面。 圖1-1模型的計(jì)算域尺寸、邊界條件及坐標(biāo)系 計(jì)算域左側(cè)設(shè)定為速度入口（velocity-inlet）邊界條件，右側(cè)為壓力出口（pressure-outlet）邊界條件，上下表面為對稱（symmetry）邊界條件，懸浮隧道表面設(shè)定為無滑移壁面（no-slip wall）邊界條件。 式（1-1）中需要引入湍流模型使其封閉，綜合考慮計(jì)算效率與模型適用性，斷面繞流計(jì)算中采用了 SST k-ω模型。該模型可很好地模擬旋流、強(qiáng)壓力梯度的邊界層流動(dòng)與分離流等，相較于 RNG k-.模型，其不包括復(fù)雜非線性黏性衰減函數(shù)，可較精確地模擬計(jì)算物體邊界層，適用于圓柱外部復(fù)雜流場計(jì)算（晁春峰，2013）。 2.模型建立流程 在 Fluent軟件中建立斷面繞流模型的具體操作流程如下。 （1）添加 Fluent到工作流程如圖1-2所示，首先打開 Workbench工作界面，雙擊左側(cè)工具欄【Fluid Flow（Fluent）】將其添加到工作流程圖中，本例命名項(xiàng)目為“demonstration-1”，保存該項(xiàng)目到指定的工作路徑。 圖1-2 添加 Fluent到工作流程圖 （2）建立幾何模型 雙擊工作流程圖中 A2：【Geometry】，打開幾何繪制窗口。首先確定計(jì)算域尺寸，為保證計(jì)算邊界對計(jì)算域的影響較小，設(shè)定整體計(jì)算域尺寸16D×27D（D為管體特征長度），管體距離入口邊界、上下邊界距離為8D。由于管體周圍及后面尾流區(qū)流體變化較劇烈，所以對整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行分塊處理，方便劃分網(wǎng)格時(shí)對這些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。計(jì)算區(qū)域?yàn)榱黧w區(qū)域，故不需要畫出橫斷面內(nèi)部區(qū)域。圖1-3為管體及其計(jì)算域。 圖1-3 幾何繪制及工作流程效果圖 （3）邊界命名及進(jìn)行網(wǎng)格劃分 繪制完幾何模型后，關(guān)閉幾何繪制界面。雙擊工作流程中 A3：【Mesh】，進(jìn)入網(wǎng)格劃分界面。邊界命名方法：選中左邊界，鼠標(biāo)右鍵選擇【Create Named Selection】，輸入邊界名稱“ inlet”。依據(jù)該方法命名右邊界為“ outlet”，上邊界為“symmetry-up”，下邊界為“ symmetry-down”，管體邊界為“ tube”，注意此處邊界條件命名與 Fluent中邊界條件類型相關(guān)，這樣在打開 Fluent時(shí)可以對邊界類型進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。 首先對管體壁面邊界層域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖1-4所示，點(diǎn)擊【Mesh】，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【insert】→【inflation】，插入邊界層網(wǎng)格，【Geometry】選擇整個(gè)計(jì)算域，【Boundary】選擇管體邊界。近壁面采用邊界層結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，在【Inflation Option】中選擇【First Layer Thickness】，根據(jù)目標(biāo)壁面無量綱參數(shù)y +值確定**層網(wǎng)格高度，**層網(wǎng)格高度值【First Layer Height】為0.002m，設(shè)定邊界層數(shù)【Maximum Layers】為25層，增長率【Growth Rate】為1.15。 再對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。點(diǎn)擊【Mesh】，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【insert-sizing】，設(shè)定流體變化劇烈區(qū)域網(wǎng)格大小為0.1m，同樣方法設(shè)定其他區(qū)域尺寸為0.2m，設(shè)定管體邊界尺寸為0.05m。點(diǎn)擊【Mesh】，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【Generate Mesh】，生成網(wǎng)格。注意在劃分完成后要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，保證不同區(qū)域之間網(wǎng)格過渡光滑，否則應(yīng)對網(wǎng)格尺寸、邊界層數(shù)、增長率等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。 圖1-4 插入邊界層網(wǎng)格及參數(shù)設(shè)置 （4）Fluent分析設(shè)置 雙擊工作流程（圖1-2）中 A4：【Setup】，在彈出的對話框中選擇雙精度求解器【Double Precision】，選中【Parallel】，在【processes】中輸入求解的線程數(shù)，這里采用4線程。點(diǎn)擊【OK】啟動(dòng) Fluent后，可以看到軟件界面左側(cè)的導(dǎo)航樹（圖1-5）。 ①雙擊導(dǎo)航樹【General】，在彈出的任務(wù)面板【Time】下選擇瞬態(tài)求解【Transient】。 ②選擇湍流模型（圖1-5）：展開導(dǎo)航樹中【Models】，雙擊【Viscous】，在【Model】選項(xiàng)中選擇【k-omega（2eqn）】，在【k-omega Model】選項(xiàng)下選中【SST】，點(diǎn)擊【OK】關(guān)閉窗口。 圖1-5 選擇湍流模型 ③添加材料：在導(dǎo)航樹中展開【Materials】，單擊鼠標(biāo)右鍵【Fluid】→【New】，在彈出的對話框中單擊【Fluent Databases】，在彈出的窗口中找到【water-liquid（h2o＜1＞）】并單擊選中，點(diǎn)擊【copy】進(jìn)行添加，點(diǎn)擊【Close】關(guān)閉窗口。 ④將“ water-liquid（h2o＜1＞）”添加到計(jì)算域：展開狀態(tài)樹【Cell Zone Conditions】，雙擊【solid-fff_surface】（注意此處計(jì)算域名稱可能與本例不同），在彈出的對話框中的【Materials Name】中選擇【water-liquid】，點(diǎn)擊【OK】關(guān)閉窗口。 ⑤設(shè)置邊界條件：展開狀態(tài)樹【Boundary Conditions】，雙擊【inlet】，在【Velocity Magnitude（m/s）】輸入來流速度0.316，在【Specification Method】中選擇【Intensity and Hydraulic Diameter】，【Turbulent Intensity】中輸入3.3，【Hydraulic Diameter】中為管體直徑，輸入1，點(diǎn)擊【OK】關(guān)閉窗口。 ⑥選擇離散格式及求解方法（圖1-6）：雙擊導(dǎo)航樹中【Methods】，在任務(wù)面板【Pressure-Velocity Coupling】中選擇【SIMPLEC】，【Spatial Discretization】中選擇【Second Order Upwind】，【Transient Formulation】中選擇【Second Order Upwind】。 ⑦監(jiān)測管體阻力及升力：單擊鼠標(biāo)右鍵【Report Definitions】→【New】→【Force Report】→【Drag】，選中【tube】、【Drag Force】、【Report File】、【Report Plot】，在【Name】中輸入“drag”；單擊鼠標(biāo)右鍵【Report Definitions】→【New】→【Force Report】→【Lift】，選中【tube】、【Lift Force】、【Report File】、【Report Plot】，在【Name】中輸入“l(fā)ift”。
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