Analyse-Ansatz
In dieser Studie wird versucht, durch CFD-Simulationen die Kräfte zu ermitteln, die durch die Strömung in einem untergetauchten Tunnel entstehen, insbesondere die dynamische Komponente der vertikalen Kraft. Bei der Bemessung dieser Bauwerke muss diese Belastung zusammen mit den Beiträgen aufgrund des Verkehrs, des Eigengewichts usw. berücksichtigt werden.
Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik können die Gleichungen, die Bewegung des Fluids steuern, numerisch gelöst werden, um das Druckfeld und die tangentialen Spannungen auf die Struktur zu erhalten. Um die dynamische Komponente zu bewerten, wird eine instationäre Analyse durchgeführt.
Zunächst untersuchen wir einen Basisfall mit einem einzigen Zylinder, der einen einzigen Tunnel modelliert, für den experimentelle Daten in der Literatur verfügbar sind. Der Fall, den wir analysieren wollen, hat eine hohe Reynoldszahl von etwa 40 Millionen.
Erstellung von CFD-Modellen
Zur Durchführung der Analysen verwenden wir ein Pseudo-2D-Modell, das wir in der Software Cradle ScFlow lösen. Der Wasserbereich um den Tunnel muss ausreichend ausgedehnt werden, um den Einfluss der Modellrandbedingungen auf die Struktur zu minimieren.
Anschließend muss ein Netz erstellt werden, das die Auswirkungen der Grenzschicht und das allgemeine Verhalten des Fluids erfassen kann. Die folgenden Bilder zeigen das verwendete Gebiet und ein Detail des Netzes:
Der Wasserstrom tritt auf der linken Seite mit einer von der zu untersuchenden Reynoldszahl abhängigen Geschwindigkeit in das Gebiet ein und tritt auf den anderen Flächen des Fernfeldes frei aus.
Ergebnisse der CFD-Simulation
Mit der CFD-Simulation können wir die durch den Tunnel erzeugten Strömungswirbel sehen und die dynamische Wirkung der erzeugten Kräfte messen.
Diese Analysen ermöglichen es, interessante Parameter wie die dimensionslose Strouhal-Zahl oder den Mittelwert der Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten zu ermitteln. Die folgende Grafik zeigt das Ergebnis für die vertikalen Kräfte.
Diese Ergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Daten aus der Literatur zur Referenzdynamik überein. Für die Strouhal-Zahl wird ein weniger turbulenter Fall mit Reynolds 10000 und der Fall mit Reynolds 40 Millionen getestet, wobei in beiden Fällen Ergebnisse erzielt werden, die mit den experimentellen Ergebnissen im Bereich der in der Literatur angegebenen Genauigkeit übereinstimmen.
Studien mit zusätzlichen Konfigurationen
Nach der Validierung der Methodik werden weitere interessante Konfigurationen untersucht. Wir beginnen diese Phase mit der Analyse von zwei parallelen Tunnellinien, wie sie für die Umsetzung der beiden Verkehrsrichtungen in Frage kommen. Die Konturen der Tunnel sind durch einen Abstand von einem Viertel des Durchmessers getrennt.
Die erhaltene Vertikalkraft weist keine so klar definierte Sinusform auf wie im Ausgangsfall. Daher führen wir eine Fourier-Analyse durch, um die Hauptbeiträge der erhaltenen Reaktion zu ermitteln. Die Abbildung zeigt die für den vorderen Tunnel durchgeführte Analyse.
Schließlich untersuchten wir die Auswirkung der Einbeziehung beider Tunnel in eine ellipsenförmige Hülle, um die Wirkung der Strömung auf die Struktur zu glätten. Bei der Untersuchung des Druckfelds und der Kräfte auf die Struktur stellten wir fest, dass bei kleinen Einfallswinkeln der gewünschte Effekt erzielt wird, bei steileren Einfallswinkeln der Strömung ist das Verhalten jedoch weniger wünschenswert.
Insbesondere entsteht im oberen vorderen Teil eine Tiefdruckzone, die in der der ursprünglichen Strömung entgegengesetzten Richtung etwas höhere Kräfte als im Ausgangsfall erzeugt.
