海流作用下沉管—雙駁船沉放系統(tǒng)沉放過程的阻力特性分析

李艷，伍紹博，李欣

（1上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200030；2中國交通建設(shè)港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)理部）

海流作用下沉管—雙駁船沉放系統(tǒng)沉放過程的阻力特性分析

李艷1，伍紹博2，李欣1

（1上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200030；2中國交通建設(shè)港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)理部）

文章通過CFD方法對海流作用下沉管管節(jié)與雙駁船組成的沉放系統(tǒng)在不同沉放水深時的阻力進行分析，采用RANS方程和SST k-ε湍流模型，利用試驗結(jié)果驗證所用模型和方法的正確性。結(jié)合沉放過程三個典型工況，分析90°來流時的流場變化對阻力特性變化產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果差異較小，駁船和沉管之間的相對位置、沉管沉放深度對流阻力大小影響較大。

沉管管節(jié)；沉放過程；CFD；流阻力；流場分布

0 引言

沉管隧道是現(xiàn)今跨海、跨江的一種交通方式，沉管管節(jié)的拖航、等待和沉放過程是建造沉管隧道水上施工的必經(jīng)步驟。關(guān)于沉管管節(jié)在風(fēng)、浪、流下的水動力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況國內(nèi)外研究者做出了較多的研究。呂衛(wèi)清等人[1]基于勢流理論，對沉管管節(jié)在浮運過程中的波浪附加阻力進行了分析；Chen Zhijie等人[2-3]對關(guān)于沉管在波浪中的響應(yīng)進行了頻、時域分析；不少研究者對釜山—巨濟（Busan-Geoje）沉管工程[4-7]的試驗研究和數(shù)值模擬進行了分析。然而，雖然不少研究者以沉管為對象進行了研究，卻鮮有用CFD方法對沉管沉放過程的流阻力特性進行分析。

本文主要以港珠澳沉管管節(jié)拖航及沉放系統(tǒng)的設(shè)計與性能預(yù)報為背景，以CFD方法模擬沉放系統(tǒng)不同沉放深度時的流阻力變化情況，是關(guān)于沉管拖航、沉放過程研究的一個重要補充。本文數(shù)值方法通過已有的試驗結(jié)果進行驗證，首先對三個典型工況下流場進行分析，以此分析流場變化對流阻力變化產(chǎn)生的影響，隨后對90°來流相同流速作用下沉管雙駁船沉放系統(tǒng)在不同沉放深度時所受的流阻力進行了深入分析。本文所作研究可以為沉管沉放系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定性分析提供參考，同時對沉管沉放系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值理論

1.1 RANS方程

湍流模式理論假定，流場中的流場變量由一個時均量和一個脈動量組成，以此方法處理的N-S方程可以得出雷諾平均的N-S方程（RANS方程）。

根據(jù)上述假定，可將速度表示為

類似地，對于壓力等其它標量，可以表示為

其中：φ表示標量，如壓力、能量、組分濃度等。

將上面的表達式代入瞬時的連續(xù)與動量方程，并取平均（去掉平均速度上的橫線），可以將連續(xù)與動量方程寫成如下的笛卡兒坐標系下的張量形式：

（3）式和（4）式稱為雷諾平均的Navier-Stokes（RANS）方程，和瞬時Navier-Stokes方程有相同的形式，只是速度或其它求解變量替換成了時間平均量，項稱為雷諾應(yīng)力，表示湍流的影響。為了求解上述方程，必須添加湍流模型以使上述方程封閉。

1.2 湍流模型

湍流模型采用Menter[6]提出的SST k-ω模型，該模型將k-ω模型（在邊界層內(nèi)部）與k-ε模型（在邊界層外部區(qū)域與自由流動區(qū)域）結(jié)合起來，其間通過一個混合函數(shù)(blending function)來過渡，綜合了k-ω模型在近壁區(qū)計算的優(yōu)點和k-ε模型在遠場計算的優(yōu)點，能夠更好地計算存在負壓力梯度的流動問題，在近壁自由流中有著廣泛的應(yīng)用范圍和較高的精度。

SST-k-ω模型的輸運方程：

湍流動能K方程為：

特殊耗散率ω方程為：

其中：k為湍流動能，ω為特殊耗散率，Gk為湍流動能k生成項；Gω為特殊耗散率ω生成項；Γk為k的有效擴散系數(shù)；Γω為ω的有效擴散系數(shù)；Yk與Yω分別代表湍流引起的k和ω耗散；Sk與Sω為源項。

2 模型描述及邊界條件

2.1 模型介紹

沉放管節(jié)全長180 m，寬37.95 m，高11.4 m，溝槽處水深為46 m。管節(jié)與雙駁船組成的沉放系統(tǒng)的沉放等待工況的主視圖和俯視圖如圖1所示。

圖1 沉管—雙駁船系統(tǒng)主視圖及俯視圖Fig.1 The plan view and top view of the tunnel element and twin-barges system

2.2 計算模型和邊界條件

CFD計算中采用的網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果有較大影響。本文采用了正交性較好的六面體網(wǎng)格，保證了計算有較好的穩(wěn)定性和精確性。對于相同幾何條件而來流速度不同的工況，采用同一網(wǎng)格進行計算。由于沉管—雙駁船系統(tǒng)均為帶有直角邊緣的矩形物體，流動分離點較固定，其阻力主要決定于表面壓力差而非壁面剪切力。因此，尺度效應(yīng)對計算結(jié)果影響不大。同時，為了便于與模型試驗數(shù)據(jù)對照，本研究所計算的模型尺度與船模試驗所用模型相同，縮尺比取為40。計算得到的結(jié)果依照傅汝德相似法則換算為實際尺度下所受流載荷。為了減小計算區(qū)域邊界對結(jié)果的影響，本文采用的計算區(qū)域在橫向方向約為7倍沉管寬度，入口到沉管首部約一倍沉管長度，出口到沉管尾部約2倍沉管長度。流入口采用定常均勻流入口條件，自由液面采用自由滑移邊界條件，兩側(cè)壁面采用對稱邊界條件，海底、駁船表面和沉管表面為不可穿透條件。

圖2為干舷消除工況下的計算區(qū)域和網(wǎng)格模型，各個工況下坐標系的原點位于沉管在自由液面投影的中心，X，Y，Z分別代表流向、橫流向和垂流向，原點位于自由液面上。

圖2 干舷消除工況CFD模型Fig.2 CFD models in the immersing condition with zero freeboard

3 主要結(jié)果及分析

3.1 模型試驗驗證

本文采用武漢理工大學(xué)進行的模型試驗數(shù)據(jù)[6]和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，以驗證數(shù)值模擬方法及網(wǎng)格尺寸的正確性。模型試驗中縮尺比為40，對浮運及沉放等待工況不同航速及航向（對于沉放等待工況為不同來流方向、不同流速）沉管雙駁船系統(tǒng)不同水深所受的阻力進行測量，模型試驗均在拖曳水池中完成。為了方便與模型試驗進行對比，本文數(shù)值模型亦采用相同的縮尺比進行建模。圖3表示水深14 m不同來流方向沉管及駁船組成的沉放系統(tǒng)的總阻力試驗和CFD方法的對比，圖4表示沉放等待工況下沉放系統(tǒng)總流阻力試驗與CFD方法對比，圖中系泊實驗1和系泊實驗2表示2種形式的系泊系統(tǒng)下分別對應(yīng)的阻力測量值，詳情可參考文獻[8]。從圖3、圖4可以看出，流阻力隨著流速的增加而增加，浮運狀態(tài)和沉放等待工況下，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在航速/流速小于等于1.4 m/s時，二者差別小于或者約等于10%。港珠澳沉管管遂位于伶仃洋海域，施工處流剖面流速均小于1.4 m/s，因此可以認為本文采用的計算方法和模型可以較準確預(yù)報沉管和駁船的受力特性，在此基礎(chǔ)上假設(shè)該計算方法和模型在其他工況下的數(shù)值計算和分析同樣適用。

圖3 14 m水深浮運狀態(tài)流阻力對比Fig.3 Comparisons of current-induced force in the transportation stage under water depth of 14 m

圖4 14 m水深沉放等待工況流阻力對比Fig.4 Comparisons of current-induced drag force in the waiting stage under water depth of 14 m

3.2 沉放過程的流場特性分析

圖5表示干舷消除階段、管頂與泥面平齊階段和管底距基槽4 m階段90°來流流速0.8 m/s時橫剖面在X=60 m的壓強、流線分布示意圖，圖中壓強云圖紅色至藍色表示壓強值逐漸遞減。從圖5可知，水流經(jīng)過前側(cè)浮駁與沉管的間隙時，因間隙較小，流速增大，可以看出在該位置，壓強普遍較小。此后，沉管與自由水面間的流場受到兩側(cè)浮駁、以及沉管上表面的影響，變化劇烈，當沉管逐漸向下移動時，沉管與浮駁之間自由液面間隙增大，沉管與浮駁間的流場較為復(fù)雜且易形成漩渦。水流經(jīng)由后側(cè)浮駁流出，流場加速，該位置附近壓強偏小。此外，在后側(cè)浮駁的背面，由于存在對流場的遮蔽效應(yīng)，形成了復(fù)雜的漩渦，影響范圍較廣。

3.3 不同沉放過程的流阻力分析

圖6為3種沉放水深下沉放系統(tǒng)、沉管及單個駁船在流向90°，流速0.8 m/s時所受流阻力。從圖中可以看出，沉管在干舷消除階段所受流阻力最大，并隨著沉放深度增加所受流力減??；駁船在管頂與泥面平齊階段所受流阻力最大；沉放系統(tǒng)總阻力于管頂與泥面平齊階段達到最大，管底距基槽4 m時總阻力相對前兩個工況大大減?。磺?個工況沉管所受流阻力顯著大于駁船，管底距基槽4 m時二者差異較小。

結(jié)合各個工況的流場流線及壓強分布可知，從干舷消除階段至管頂與泥面平齊階段，沉管與駁船之間自由液面間隙增大，該區(qū)域流場產(chǎn)生了漩渦，沉管對駁船后側(cè)的遮蔽效應(yīng)減小，流場變化主要引起了駁船流阻力和沉放系統(tǒng)總阻力的增加；沉管管底距基槽4 m時，沉管與駁船之間自由液面間隙相對前兩個工況顯著增加，駁船與沉管之間的相互影響減小，而此時沉管及沉放系統(tǒng)所受流力顯著小于前兩個工況。結(jié)果表明駁船和沉管之間的相對位置、沉管沉放深度對流阻力大小影響較大。

圖5 不同沉放階段90°來流時流場特性Fig.5 The flow field characteristics in different immersing stages under 90°current

圖6 不同沉放工況下沉放系統(tǒng)在流向90°，流速0.8 m/s時所受流阻力Fig.6 Current-induced forces in different immersing stages with the current velocity of 0.8 m/s and direction of 90°

4 結(jié)論

本文主要對90°來流相同流速作用下沉管雙駁船沉放系統(tǒng)在不同沉放深度時所受的流阻力進行了深入分析，并結(jié)合三個典型沉放工況下分析了90°來流時的流場變化對阻力特性產(chǎn)生的影響。本文的研究表明：（a）不同沉放工況下，90°來流相同流速作用下，沉管所受流阻力隨著沉放水深增加而減小，而且沉放后期與初始沉放沉管所受流阻力差別較大；（b）沉放系統(tǒng)所受的流阻力與沉放深度息息相關(guān)，沉放初期沉放系統(tǒng)所受的流阻力較大，隨著沉放水深增加至一定程度后所受流阻力減?。唬╟）沉管所受流阻力的大小與駁船對其影響程度具有較大關(guān)聯(lián)，沉管沉放初期駁船對沉管影響較大，因此所受流阻力較大，沉放末期影響較小，故所受流阻力較小。

參考文獻：

[1]呂衛(wèi)清,應(yīng)宗權(quán),蘇林王等.沉管管節(jié)浮云過程中波浪附加阻力的水動力學(xué)分析[J].水運工程,2011(11):86-91. Lv W Q,Ying Z Q,Su L W,Lin M H.Hydrodynamic analysis of added resistance in waves of immersed tunnel elements during floating transportation[J].Port&Waterway Engineering,2011(11):86-91.

[2]Chen Zhijie,Wang Yongxue,Wang Guoyu,Hou Yong.Frequency responses of immerseing tunnel element under wave actions[J].Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2009,8:18-26.

[3]Chen Zhijie,Wang Yongxue,Wang Guoyu.Time-Domain responses of immersing tunnel element under wave actions[J]. Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2009,21(6):739-749.

[4]Chakrabarti P,Chakrabarti S K,Olsen T.Dynamic simulation of immersion of tunnel elements for Busan-Geoje fixed link project[C].Proceedings of 27th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference,ASME,OMAE2008-57881.

[5]Menter F R.Two-Equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J].The American Institute of Aeronautics and Astronautics,1994,32(8):1598-1605.

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[7]Huang G,Zhang N,Law A W K,Song Y,Lin L.Motion response of immersing tunnel element under random waves[J]. Ships and Offshore Structures,(ahead-of-print),2015:1-14.

[8]港珠澳大橋島隧工程沉管浮運阻力物模試驗報告[R].武漢:武漢理工大學(xué),2012:1-70. The model test report regarding floating and transporting resistance of the immersed tunnel used for HongKong-Zhuhai-Macao bridge Island&Tunnel project[R].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012:1-70.

Current induced force of an immersion system comprising a tunnel element and two barges during the immersing phase

LI Yan1,WU Shao-bo2,LI Xin1
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China; 2.Project Management Dept for Island&Tunnel Project of Hongkong-Zhuhai-Macau Bridge of China Communications Construction Company)

This paper concerns mainly the current-induced force of an immersion system comprising a tunnel element and two barges during the immersing phases.A three-dimensional viscous flow around the immersion system was investigated using the RANS equation and the turbulence model of SST k-ε.To verify reasonableness of the numerical simulations,results from model tests were introduced and compared with. Main analyses about the current-induced forces in different immersing depth with the same current direction and velocity were deeply investigated.In addition,different flow field characteristics in different immersion stages were presented and analyzed to further explain their effects on the current-induced force. The results show that differences between numerical simulations and model tests are rather small,and that current induced forces are greatly influenced by relative position of the tunnel element and barges and by immersing depth of the tunnel element.

the tunnel element;immersion process;CFD;current induced force;flow field distribution

U615

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.11.004

1007-7294（2015）11-1318-07

2015-03-27

工信部課題《浮式液化天然氣儲存及再氣化裝置（LNG-FSRU）總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究》

李艷（1988-），男，碩士研究生，E-mail：lyhust306@gmail.com；伍紹博（1985-），男，博士研究生，E-mail:shaobo_wu@sjtu.edu.cn；李欣（1976-），女，博士，副教授，E-mail:lixin@sjtu.edu.cn。