大型跨江海盾構(gòu)法隧道施工期流固耦合問題研究項目摘要

以大型跨江海水下盾構(gòu)法隧道施工期的流固耦合問題為主要研究對象，進行泥水平衡式盾構(gòu)施工對圍巖滲流特性影響和隧道所處地質(zhì)場體流固耦合機理的研究，并在此基礎(chǔ)上研究大型跨江海盾構(gòu)隧道掘進控制參數(shù)的計算方法、研究盾構(gòu)隧道裝配式管片襯砌在施工期的結(jié)構(gòu)受力特征。通過研究，探明大型跨江海水下盾構(gòu)隧道采用盾構(gòu)法施工時泥膜和壁后注漿引起地層滲透參數(shù)改變的大小和范圍；建立高水壓條件下盾構(gòu)施工期應(yīng)力場和滲流場耦合的非線性模型并提出合理的求解方案；應(yīng)用流固耦合理論建立泥水盾構(gòu)施工關(guān)鍵控制參數(shù)、特別是壁后注漿壓力、泥水壓力、頂推力等參數(shù)的計算方法、探明施工期襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，評估盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全性，并采用模型試驗測試盾構(gòu)掘進時刀盤前方的土壓和泥水壓的分布規(guī)律。 2100433B

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過程進行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計算結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計算需要消耗大量的計算資源，難以用于解決實際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認(rèn)為在計算時間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動網(wǎng)格等方式進行實時信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強制對流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過程分別進行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對飛機氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導(dǎo)熱和應(yīng)變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時利用固體應(yīng)變方程的計算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計算流體力學(xué)( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進行穩(wěn)態(tài)流場計算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B

流固耦合傳熱計算 的關(guān)鍵是實現(xiàn)流體與固體邊界上的熱量傳遞。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量，因此 ，流固邊界面上的熱量傳遞過程可表示為

在求解流固耦合的瞬態(tài)溫度場時，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場處理，即不考慮流場的動量和湍方程，則其控制方程式

固體區(qū)域控制方程以其基本導(dǎo)熱方程表示為

流固交界面上不考慮發(fā)生的輻射、燒蝕相變等過程，則流固交界面上滿足能量連續(xù)性條件，即溫度和熱流密度相等。具體控制方程式為

上述構(gòu)成了流固耦合瞬態(tài)溫度場控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進行求解。即在每個[t，t Δt]時間步長內(nèi)，完成如下計算步驟：

1) 假定耦合邊界上的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

2) 對其中流體區(qū)域進行穩(wěn)態(tài)求解，得出耦合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，作為固體區(qū)域的邊界條件。

3) 求解固體區(qū)域，得出耦合邊界上新的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

4) 重復(fù) 2) 、3) 兩步計算，直到收斂。

深水管線流固耦合問題在海洋工程中廣泛存在，由于管線細(xì)長和受彈性支撐，管線會發(fā)生柔性變形，在不同水深流動區(qū)域會激發(fā)不同模態(tài)的渦激振動現(xiàn)象，海底管線附近海床在復(fù)雜流場作用下會發(fā)生陶蝕現(xiàn)象，從而形成復(fù)雜的流體力學(xué)問題，是深海海洋工程極為關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本項目利用申請人及合作者提出的多重網(wǎng)格虛擬邊界法，結(jié)合ALE方法、移動網(wǎng)格和分塊并行技術(shù)，構(gòu)建一個新的數(shù)值方法：流體-固體流場統(tǒng)一法，數(shù)值模擬典型的深水管線流固耦合問題，包括復(fù)雜形狀管線渦激振動和鎖定現(xiàn)象、管線柔性變形與流場相互作用、海底管線柔性變形與周圍復(fù)雜流場相互作用等，為新型深水海洋平臺和海底管線的設(shè)計、施工、運行與監(jiān)測提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時，還可以為其它相似的流固耦合問題(如螺旋槳和渦輪機葉片的振動現(xiàn)象)的機理探討，模型構(gòu)建和數(shù)值分析提供新的可借鑒的數(shù)值方法。本項目研究對豐富流固耦合理論和計算流體力學(xué)的發(fā)展都有重要意義。