跨海悬浮隧道全自由度涡激振动特性试验与理论研究

The project focuses on the vortex induced vibration (VIV) of a submerged floating tunnel (SFT) with twin-tubes in cross-flow, inline and torsional directions. Firstly, an experimental study of an elastically supported rigid section model of the SFT in steady uniform current is performed. Considering the interaction between the two tubes, the intrinsic characteristics of the drag and lift acting on the up- and down-stream tube with different distances will be uncovered. More attention will be focused on the torsional force coefficient induced by the difference of the amplitude or phase angle of the force acting on the two tubes. A mathematic model of the vortex induced force coefficient for the twin-tube will then be developed. The project continues with an experimental study of a flexible SFT model with large slenderness ratio. The hydrodynamic force along the model will be obtained through a newly introduced inverse finite element method, which can be used to modify the mathematic model of the vortex induced force coefficient. In addition, the features of the flow-induced vibration of the upstream cylinder and the wake-induced vibration of the down-stream cylinder will be studied. Finally, a time-domain algorithm for predicting the VIV response of the SFT in cross-flow, inline and torsional directions will be developed. It will provide a solid theoretical foundation and accurate analysis tool in the safe design of the SFT.

课题针对跨海悬浮隧道双管体结构面临的横流向、顺流向以及扭转三个自由度涡激振动耦合难题，以均匀流条件下悬浮隧道刚体分段模型自激振荡试验作为出发点，研究不同管体间距、考虑双管相互干涉作用下，上、下游管升力、阻力系数以及由于上、下游管遭受载荷幅值及相位差异而诱导产生的扭矩系数，从而揭示悬浮隧道模型涡激载荷响应规律，建立双管全自由度涡激载荷系数数学模型。进而，开展大长径比柔性悬浮隧道模型试验，发展双管水动力载荷逆向有限元识别方法，重构上、下游管水动力载荷展向分布情况，对全自由度涡激载荷数学模型进行修正、优化；同时，研究上游管的流致振动和下游管的尾涡致振动响应规律。最终，基于模型试验结果，发展悬浮隧道横流向、顺流向以及扭转全自由度涡激振动响应时域预报方法，为悬浮隧道行业安全设计提供可靠的理论支撑和分析手段。

项目针对跨海悬浮隧道双管体结构面临的横流向、顺流向以及扭转三个自由度涡激振动响应问题，以均匀流条件下悬浮隧道刚体分段模型自激振荡特性研究作为出发点，研究了不同管体间距、考虑双管相互干涉作用下，上、下游管升力、阻力系数，发现在二倍直径间距下双管系统由于相互干涉作用与单管系统存在显著差别，在四倍直径下基本吻合，静止拖曳工况下由于下游管对上游管的泄涡抑制作用，双管系统升力系数远小于单管，自激振荡工况中由于模型振动的相对速度，漩涡有了更充足空间脱落，升力系数显著增加；由于上下游管分别为流致振动以及尾涡致振动，其水动力系数以及相位存在显著差距，从而诱导产生一个扭矩，这一扭矩在整个悬浮隧道积分后将在端部产生极大应力集中问题，引入并建立了双管这一涡激扭矩系数与管间距、约化速度之间的关联规律；开展了大长径比固接双管模型试验，利用基于测点应变信息的位移重构以及载荷识别方法，研究了上游管的流致振动和下游管的尾涡致振动响应规律，由于流体经过上游管产生的尾涡会对下游管的振动产生影响，双管在顺流向方向上的振动变形与单管变形形态存在很大差异，同时，流速较高时，单管响应呈现为驻波特性而双管响应则更多的呈现为行波特性，且在某些时刻上下游管的行波传递方向相反；基于模型试验结果，发展了悬浮隧道波致运动以及流致涡激振动响应预报方法，模拟了高流速海况下悬浮隧道涡激振动响应，并与长峰波以及短峰波下一阶及二阶波浪力对悬浮隧道水平和垂向变形的影响进行了对比分析，发现在垂向上涡激振动变形要远高于波浪诱导变形，表明悬浮隧道安全设计中涡激振动对结构疲劳强度以及极限强度的贡献和影响均需要进行考虑。为悬浮隧道行业安全设计提供可靠的理论支撑和分析手段。