基于CFD的大型沉井拖航水阻力数值模拟与预测

�[���GѽT�E�秷]5�Ynz{u٨ky"http://www.wufanghuizhong.com/p/fangan/" target="_blank" class="keylink">方案及过程进行模拟，但此类模拟的重点不在拖带水阻力.

相关行业规范或标准中给出的经验公式中计算参数各异，计算结果也各不相同，在工程实践时很难取舍；物理模型试验方法成本高昂，且一般只能试验较少工况；CFD方法以物理定律为理论基础，计算结果可信度较高，但针对不同的工况组合要进行大量的计算，耗费大量时间和计算资源.本文将沪通铁路长江大桥施工所用的某大型方沉井作为研究对象，提出以CFD计算结果为基准的沉井拖航水阻力的预测方法，以期取得较高预测精度，并减少计算量.

1数值模拟

1.1控制方程与湍流模型

假设在沉井以一定的速度被拖航时流体为均匀的不可压缩黏性流体，流动方向一致.流场模型以连

续方程和NavierStokes方程为控制方程：

[SX（]ui[]xi[SX）]=0

（1）

ρ[SX（]ui[]t[SX）]+ρuj

[SX（]ui[]xj[SX）]=-

[SX（]P[]xi[SX）]+

[SX（][]xj[SX）]

[JB（（]μ

[SX（]ui[]xj[SX）]-ρ

u′iu′j[JB））]

（2）

式中：ui，uj为速度分量；xi，xj为空间坐标分量；t为时间；ρ为流体密度；P为流体压强；μ为流体的动力黏性系数；-ρu′iu′j为雷诺应力.使用在船舶黏性流体计算中应用较广的SST kω湍流模型使方程组封闭，该湍流模型在流场模拟中具有较高的精度.

4结论

本文基于计算流体力学软件CFD，以带垂直孔腔的大型方沉井为研究对象，对沉井在不同拖航速度和不同迎流角时的各种工况进行了数值模拟，并提出了以水流速度1.0 m/s时的CFD阻力计算结果作为预测基准值的预测方法.计算结果表明，该预测方法具有较高的精度，误差在-2.0%～1.0%之间，每个迎流角只需计算一种工况，计算量比CFD数值模拟方法减少95%.计算结果为沪通铁路长江大桥施工沉井的拖航方案设计提供了重要依据.沉井的顺利拖航成功证明了该计算结果较为可靠.

参考文献：

[1]

公路施工手册编写组. 桥涵：上册[M]. 北京： 人民交通出版社， 2000： 691.

[2]中国船级社. 海上拖航指南[M]. 北京： 人民出版社， 2011： 34.

[3]中华人民共和国交通运输部. 港口工程荷载规范： JTS 1441—2010[S]. 北京： 人民交通出版社， 2010： 126.

[4]李文玉. 人工岛沉井海上拖运的模型试验研究[J]. 港口工程， 1996（4）： 4145.

[5]陈策， 钟建驰. 浮运沉井施工期在水流中的受力特性研究[J]. 铁道标准设计， 2008（9）： 3032.

[6]ISAWO Y， IETPSHI Y. Model experiments on towing resistance and performance of double wall caisson[J]. Journal of Zosen Kiokai， 2009： 1967121.

[7]徐双喜， 李晓彬， 曹正林， 等. 大型沉井浮运阻力研究[J]. 水运工程， 2007（12）： 2932.

[8]徐双喜， 郭佳， 董威. 桥梁方沉井浮运阻力研究[J]. 水运工程， 2009（2）： 6872.

[9]ZHENG Junjie， LI Zongzhe， ZHAO Dong’an， et al. Resistance of large caisson in floating transport considering the influence of air[J]. Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China， 2010， 4（3）： 331338.

[10]曾智泉. 钢围堰浮运阻力计算方法探讨[J]. 交通科技， 2013（2）： 1517.

[11]张鸿， 傅慧萍， 张永涛. 内部流体运动对波浪中沉井阻力的影响[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2013， 34（11）： 13571362. DOI： 10.3969 /j.issn.10067043.201210083.

[12]刘轶华， 杨小军， 肖英杰. QMax型LNG船舶靠离江苏洋口港模拟[J]. 上海海事大学学报， 2014， 35（3）： 16. DOI： 10.13340/j.jsmu.2014.03.001.

（编辑赵勉）