波浪与水流耦合作用下悬浮隧道管体动力响应特性的数值研究

《Marine and Petroleum Geology》：Numerical investigation of the dynamic response characteristics of a submerged floating tunnel tube under wave and current loads

本文采用二维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程（URANS）与剪切应力输运k-ω湍流模型，结合四阶龙格-库塔法，系统研究了悬浮隧道（SFT）在纯波浪、纯水流及波流耦合荷载下的动力响应特性。研究揭示了振幅、频率和运动轨迹随荷载参数的变化规律，特别关注了涡激振动（VIV）和波流耦合效应，为深海工程结构安全设计提供了重要理论依据。

　　

研究亮点

本研究采用计算流体动力学（CFD）方法建立了双向流固耦合模型，重点探究了悬浮隧道（SFT）管体在复杂海洋环境荷载下的动力响应机制。通过系统分析纯波浪、纯水流及波流联合作用下的振动特性，揭示了涡激振动（VIV）和波流耦合效应的关键影响。

问题描述

本研究采用二维数值方法研究SFT管体的动力响应，主要基于两方面考虑：首先，与全三维模拟相比，二维模拟计算成本较低，且在多数情况下二者结果差异微小；其次，二维模拟能更清晰地揭示涡激振动（VIV）的物理机制。

控制方程

围绕SFT管体的流动被视为二维不可压缩非定常流动，采用非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程（URANS）求解。质量守恒和动量守恒的控制方程表示为：

?ū_i/?x_i = 0

?ū_i/?t + ?(u_iu_j)/?x_j = -1/ρ ?p?/?x_i + ν?²ū_i - ?(u′_iu′_j)/?x_j

其中 -u′_iu′_j = ν_t(?u_i/?x_j + ?u_j/?x_i) + 2/3 δ_ijk

式中，i和j方向上的u_i和u_j分别表示瞬时速度分量，u′_i和u′_j为速度脉动分量，x_i为空间坐标。

网格无关性验证与数值方法确认

在开展相关研究前，首先进行了网格无关性验证。采用一组网格分析SFT管体的动力响应。验证工况中，波浪周期设为13秒，均匀水流速度设为2.5 m·s^-1。为确保波流联合作用下的实际波高为5米，根据公式（15）计算得出理论波高需设置为5.555米。

结论

本研究数值研究了SFT管体在波浪和水流荷载下的水动力响应特性。首先分析了不同水流或波浪荷载下的动力响应特性，包括振动幅度、振动频率和振动轨迹；随后研究了波流联合荷载下SFT管体的动力响应特性；最后对比分析了考虑与不考虑涡激效应时SFT管体的动力响应特性差异。