盾构隧道施工环境适应性的流固耦合分析

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 水下盾构隧道施工研究中存在的问题

1．4 本书的主要工作

2 盾构施工对孔压扰动的三维流固耦合分析

2．1 概述

2．2 工程概况

2．3 三维流固耦合数值模型的建立

2．4 ABAQuS盾构隧道三维辅助分析程序的研制

2．5 数值计算模型的验证

2．6 参数计算分析

2．7 计算结果与实测和解析结果的对比分析

2．8 孔压变化值与地面沉降之间关系的讨论

2．9 本章小结

3 地下水对开挖面上方土拱效应影响的实验研究

3．1 概述

3．2 试验设计

3．3 地下水对开挖面上方土拱效应影响的分析

3．4 砂土地层中开挖面最小支护力计算方法的修正

3．5 本章小结

4 波动推力引起的超静孔压对开挖面稳定性的影响分析

4．1 概述

4．2 波动推力作用下开挖面前方超静孔压的计算方法

4．3 超静孔压对开挖面稳定性影响的计算方法

4．4 工程算例分析

4．5 参数分析

4．6 本章小结

5 渗流作用下管片承受压力的流固耦合分析

5．1 概述

5．2 不同压力下土体渗透系数的变化规律

5．3 分析模型及其基本假设

5．4 衬砌及周围土体渗流场的分析

5．5 衬砌及周围土体应力和位移场的分析

5．6 衬砌及周围土体应力和位移的流固耦合分析

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献2100433B

《盾构隧道施工环境适应性的流固耦合分析》针对盾构在水下地层中的施工难点问题，基于流固耦合理论，分析了盾构隧道施工参数的环境适应性问题。首先通过盾构施工的三维流固耦合数值计算，分析了根据孔压监测数据分析盾构施工参数环境适应性的方法。然后进行了干砂和饱和砂的对比模型试验，结合楔形体模型计算分析了地下水对开挖面小支护力的影响。最后根据盾构隧道实际施工情况，指出开挖面支护力是一个随时问波动变化的力。通过计算得到了分层土模型中波动力在开挖面前方产生超静孔压的大小，以及此超静孔压对开挖面稳定性的影响。《盾构隧道施工环境适应性的流固耦合分析》分析结果可为盾构隧道施工参数的合理制定提供依据。

前言

第1章 流固耦合分析基础

1.1 流固耦合基础

1.1.1 认识流固耦合分析的重要性

1.1.2 流体控制方程

1.1.3 固体控制方程

1.1.4 流固耦合方程

1.2 ANSYS流固耦合分析

1.2.1 单向流固耦合分析

1.2.2 双向流固耦合分析

1.2.3 耦合面的数据传递

1.2.4 网格映射和数据交换类型

1.3 ANSYS流固耦合分析的基本步骤

1.3.1 CFx MechanicalAPDL单向耦合基本设置

1.3.2 FLLJENT ANSYS单向耦合基本设置

第2章 单向流固耦合分析

2.1 单向流固耦合分析基础

2.2 三通管的热强度计算

2.2.1 问题描述

2.2.2 ICEMCFD划分三通管流场网格

2.2.3 利用CFX求解三通管流场

2.2.4 利用Workbench进行三通管热强度分析

2.3 风力发电叶片及支架整体分析

2.3.1 问题描述

2.3.2 几何模型处理

2.3.3 流场网格划分

2.3.4 流体分析设置

2.3.5 开始流体计算

2.3.6 流体计算过程中的参数监控和修改

2.3.7 查看流体计算结果

2.3.8 结构分析的模型处理

2.3.9 结构网格划分

2.3.10 加载与求解

2.4 轴流叶片的应力分析

2.4.1 问题描述

2.4.2 创建分析项目

2.4.3 BladeGen中叶片的设计

2.4.4 TurboGrid结构网格划分

2.4.5 流体分析设置

2.4.6 流体计算和结果查看

2.4.7 StaticStructural(ANSYS)结构分析

2.5 燃烧室流场计算及热变形分析

2.5.1 问题描述

2.5.2 ICEMCFD划分燃烧流场网格

2.5.3 利用FLUENT求解燃烧流场

2.5.4 NOx排放量预测

2.5.5 Workbench进行结构分析

2.6 水流冲击平板分析

2.6.1 问题描述

2.6.2 创建分析项目

2.6.3 建立几何模型

2.6.4 流体分析

2.6.5 结构分析

2.7 泥浆搅拌器预应力下的模态分析

2.7.1 问题描述

2.7.2 创建分析项目

2.7.3 Fluent流场分析

2.7.4 结构分析

2.8 本章小结

第3章 ANSYS双向流固耦合分析

3.1 双向流固耦合分析基础

3.2 血管和血管壁耦合分析

3.2.1 问题描述

3.2.2 创建分析项目

3.2.3 结构分析设置

3.2.4 流场模型处理

3.2.5 流体分析设置

3.2.6 求解计算和结果监视

3.2.7 查看流体计算结果

3.2.8 查看结构计算结果

3.2.9 创建动画文件

3.3 泥浆冲击立柱分析

3.3.1 问题描述

3.3.2 创建分析项目

3.3.3 添加新材料(concrete)

3.3.4 建立模型

3.3.5 结构分析设置

3.3.6 流场模型处理

3.3.7 流场网格划分

3.3.8 流体分析设置

3.3.9 求解和计算结果

3.4 飞机副翼转动耦合分析

3.4.1 问题描述

3.4.2 创建分析项目

3.4.3 选用新材料(AluminumAlloy)

3.4.4 导入模型

3.4.5 结构分析设置

3.4.6 流场模型处理

3.4.7 流场网格划分

3.4.8 流体分析设置

3.4.9 求解和计算结果

3.5 圆柱绕流耦合振动分析

3.5.1 问题描述

3.5.2 IcEMcFD划分流场网格

3.5.3 无耦合的圆柱绕流分析

3.5.4 流固耦合圆柱绕流分析

3.6 水润滑橡胶轴承分析

3.6.1 问题描述

3.6.2 利用IcEM划分水膜网格

3.6.3 利用Workbench完成结构设置

3.6.4 流体分析设置

3.6.5 开始计算及计算结果监测

3.6.6 查看水膜流场结果

3.7 本章小结

第4章 ANSYS动网格技术应用

4.1 动网格分析基础

4.2 大变形网格重构功能分析

4.2.1 问题描述

4.2.2 网格划分和脚本录制

4.2.3 流体分析设置

4.2.4 求解和计算结果

4.3 FLuENTRemesh6 DOF分析

4 3.1 问题描述

4.3.2 FLUENT6 DOFUDF的编译

4.3.3 FLUENT查看流场结果

4.3.4 利用Tecplot进行流场后处理

4.4 本章小结

第5章 ANSYS流固耦合工程实例

5.1 某型号离心泵分析

5.2 问题描述

5.2.1 网格划分

5.2.2 流体分析设置

5.2.3 结构分析设置

5.3 泄压阀动态特性分析

5.3.1 问题描述

5.3.2 创建CFX分析项目

5.3.3 流体分析设置

5.3.4 求解计算和结果监视

5.4 止回阀动态分析

5.4.1 问题描述

5.4.2 FLUENTDEFINECGMotionUDF的编译

5.4.3 止回阀动网格的编译

5.4.4 压力进口uDF编写

5.4.5 FLLJENT止回阀流场求解设置

5.4.6 流场后处理

5.5 滑动轴承玻璃轴瓦强度分析-

5.5.1 问题描述

5.5.2 FLUENT分析滑动轴承油膜流场

5.5.3 油膜流场结果后处理

5.5.4 流场与结构分析耦合

5.5.5 结构分析设置

5.5.6 结构求解及结果分析

5.6 本章小结

参考文献 2100433B

流固耦合传热计算 的关键是实现流体与固体边界上的热量传递。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固体传出的热量应等于流体吸收的热量，因此 ，流固边界面上的热量传递过程可表示为

在求解流固耦合的瞬态温度场时，流体区域可按准稳态流场处理，即不考虑流场的动量和湍方程，则其控制方程式

固体区域控制方程以其基本导热方程表示为

流固交界面上不考虑发生的辐射、烧蚀相变等过程，则流固交界面上满足能量连续性条件，即温度和热流密度相等。具体控制方程式为

上述构成了流固耦合瞬态温度场控制方程，可以使用分区瞬态紧耦合算法进行求解。即在每个[t，t Δt]时间步长内，完成如下计算步骤：

1) 假定耦合边界上的温度分布，作为流体区域的边界条件。

2) 对其中流体区域进行稳态求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，作为固体区域的边界条件。

3) 求解固体区域，得出耦合边界上新的温度分布，作为流体区域的边界条件。

4) 重复 2) 、3) 两步计算，直到收敛。

贴近工程实际——本书的实例多从实际工程、科研项目中提炼出来，具有很强的参考价值，其中包括热应力、水压、旋转域turbo建模、周期边界、燃烧、热应力、血管壁耦合、模态分析、流体冲击、自由页面、结构振动、活动域、大变形Remesh、FLUENT Remesh 6 DOF等方面的技术或问题。不涉及系统理论以及具体算法的介绍，而是从实际应用角度出发，通过大量的原创性分析实例，向读者细致地讲解流固耦合分析。全书共分5章，从基础开始讲解，层层深入到ANSYS单向流固耦合分析、双向流固耦合分析，以及动网格和网格重构技术。为了让读者能够更好地理解ANSYS流固耦合分析的工程应用，本书还详细讲解了4个工程实例。