迎流角对尖端形宽幅悬浮隧道截面涡激振动特性的影响研究

摘要

尖端形截面是悬浮隧道管体一种有利于波流环境中流固耦合相互作用的多车道宽幅截面，其迎流角的大小与流体荷载值直接相关。为了获取迎流角与尖端形宽幅悬浮隧道截面涡振特性的内在联系，本研究设计了7种不同迎流角的尖端形宽幅截面。使用FLUENT软件建立了非定常流下的二维缩尺数值模型，采用二维雷诺时均(Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS)SST k-ω湍流模型求解不可压缩黏性流体N-S方程。将Runge-Kutta法代码嵌入FLUENT UDF中以求解结构振动响应，采用动网格技术将悬浮隧道简化为质量-弹簧-阻尼系统进行了数值模拟。研究了不同迎流角与自振频率的悬浮隧道在洋流作用下的振动响应、尾迹脱涡模式、运动轨迹。结果表明：1)结构的最大横向振幅随迎流角的增大而减小，阻力随迎流角的增大而增大，最大流向振幅随流速的增加而增加；2)悬浮隧道在水中限幅运动以横向往复振动为主，流向方向为偏离原有位置；3)80°的迎流角为尖端形截面综合考虑受力及空间利用率下的合适角度；4)结构自振频率的改变仅对升力影响较大，不会改变结构的脱涡模式。

关键词

悬浮隧道 / 尖端形宽幅截面 / 迎流角 / 涡激振动 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金资助项目(No.52278139; 52278141); 湖南省自然科学基金资助项目(No.2022JJ30612); 长沙市科技计划资助项目(No.kq2202204)