[發明專利]一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法

有效

• 申請號: 201410012269.1
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103729565B
• 公開（公告）日: 2016-10-19
• 發明（設計）人: 陳明;陳明棟;宣國祥;楊勝發
• 申請（專利權）人: 重慶交通大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F17/50
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明屬于船閘水動力學技術領域，涉及一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法。

背景技術

閘室船舶的停泊安全一直是船閘設計與管理最為關注的問題，而衡量船舶停泊條件的好壞，通常以船舶系纜力的大小予以判斷。研究閘室船舶系纜力，首先需考慮作用于過閘船舶錨泊系統上的水動力荷載。船閘輸水過程中閘室船舶與水體間的相互作用系“浮體-水流”耦合動力響應問題，即船閘灌泄水時，閘室船舶錨泊系統將受水流作用，同時船體隨閘室水位的升降而作上下運動，反過來船體的運動狀態必然引起船舶周圍流場、壓力等參數的變化。對于船舶與水體間的耦合動力響應研究，有不少學者做過相關工作，如海上工作平臺在波浪作用下的動力響應、浮體和系泊浮體在波浪作用下的動力響應、高速水流沖擊浮體的運動響應、錨泊在港的船舶系纜力計算等。以上研究大多集中在波浪環境下浮體與流體間耦合作用的動力響應，這與船閘輸水過程“船舶—水流”間的耦合動力響應差異較大。原因在于，一方面船閘輸水時閘室內水位、流速都隨時間變化而變化，船舶將受非恒定流作用；另一方面，船舶在閘室中的運動屬大位移問題，且運動區域為限制性水域。因此，將已有的關于流固耦合動力響應研究方法直接運用于閘室船舶的系纜力計算存在較大困難。

Jong等研究了閘室內涌浪對船舶的水動力作用及船舶的運動響應，并根據研究成果開發了閘室內船舶縱向力的計算程序，該程序假定了船舶所受縱向力是由三個分力的疊加，即推進波、均勻流和集中灌水形成的射流。Kalkwijk建立了閘室船舶在水平面上的受力方程，但該方程僅適用于某一特定的船閘輸水系統。Natale等針對閘門開孔的輸水系統、環形廊道輸水系統以及閘墻長廊道側支孔輸水系統，得出了閘室船舶含兩個自由度的振動方程。由于該方程考慮了錨泊系統的阻尼系數，但未給出系數的具體取值。Stockstill通過物理模型試驗，分析討論了系數的計算公式，并建立了閘室系泊船舶的振動方程。限于閘室船舶受力過程的復雜性，上述振動方程的建立均假設了船舶浮力始終與重力平衡，這與船舶實際運動過程不相符。此外，船舶橫向受力亦是閘室停泊條件的重要研究內容，但上述振動方程只考慮了船舶的縱向受力。

限于船閘輸水過程閘室船舶系纜力數值計算的諸多困難，目前主要采用物理模型試驗和現場原型觀測方法，這需消耗大量的人力和物力，且研究成果的精度受試驗條件及尺度效應的影響。因此，急需一種能夠高效、準確模擬船閘輸水過程閘室船舶系纜力的數值計算方法。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，該方法基于“船舶—水流”間的耦合動力響應，建立船舶運動控制方程及縱向和橫向受力方程；利用FLUENT流體計算平臺，借助用戶自定義函數（UDF）編制閘室船舶系纜力并行計算程序，通過建立船閘整體輸水系統三維數學模型實現閘室船舶系纜力數值模擬。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，包括以下步驟：步驟一：繪制船閘輸水系統三維幾何模型，并對該模型采用分塊四面體和六面體混合網格進行剖分，定義邊界類型，輸出*.mesh文件；步驟二：將步驟一中輸出的mesh文件導入流體計算平臺FLUENT中，進行網格檢查和調整、三維紊流和兩相流模型的選取、設定參考壓力、重力作用以及水的材質、定義初始相和第二相；步驟三：根據閘室船舶系纜力物理模型試驗邊界條件，同時基于“船舶—水流”耦合動力響應，通過對船舶在平面上受水流作用力、縱向和前橫向及后橫向系纜力的受力平衡分析，建立受力方程組；通過牛頓第二運動定律建立船舶升降運動控制方程；步驟四：通過用戶自定義函數UDF定義工作閥門的動態啟閉方式、船舶系纜力的計算程序及其運動控制程序、引航道的壓力邊界；步驟五：通過FLUENT軟件提供的Compiled?UDFs面板對定義好的UDF進行編譯，以動態連接到Fluent求解器上；步驟六：通過FLUENT軟件提供的動網格模塊，進行動網格方案選取及其參數設置，閥門和船舶運動邊界的運動屬性設置；步驟七：定義其他邊界條件；步驟八：采用控制體積法對紊流偏微分控制方程組進行離散化，得到代數方程組并利用以上邊界條件進行封閉；步驟九：選擇代數方程組的求解算法、對計算域進行初始化、設定時間步長，利用FLUENT求解器對流場計算域內的代數方程組反復進行迭代計算，直到滿足所設定的迭代精度為止，完成船閘輸水過程的閘室船舶系纜力數值模擬，同時實時輸出每一時間步內的船舶位移、運動速度和船舶系纜力計算成果。