[發明專利]一種計算波浪與不規則結構物相互作用的方法

有效

• 申請號: 201810070890.1
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN108287965B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 李雪艷;王慶;謝天;朱小松;戰超;張金芝
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 煙臺雙聯專利事務所(普通合伙) 37225
• 代理人: 梁翠榮

1.一種計算波浪與不規則結構物相互作用的方法，其特征在于，包括以下步驟：

a根據設計的數值水槽尺寸和不規則結構物所在位置，生成計算區域的網格；所述的網格由網格單元組成，包括空網格單元、內部流體網格單元和近壁區流體網格單元；

b對計算區域的流場，設置初始條件；所述的初始條件包括速度和壓強的初始值；初始條件指的是計算域內所有網格點上的速度均設置為零，全域的壓強值按靜水壓強分布設置；

c基于雷諾時均N-S方程組模擬粘性波動流體，利用湍流模型封閉N-S方程組，作為計算方法的控制方程；所述的雷諾時均N-S方程組包括動量方程和連續方程；

d利用有限差分法對控制方程進行離散；所述的有限差分法的差分網格采用交錯網格；

e設置計算區域的邊界條件，所述的邊界條件包括造波邊界條件、開邊界條件、數值水槽上下邊界條件；

f將設定速度和壓強的初始值代入動量方程，求出計算區域新時刻速度場的近似解；

g通過SIMPLE算法迭代調整壓力，使得內部流體網格單元滿足連續方程，自由表面單元滿足自由表面動力邊界條件，同時調整速度場；

所述的SIMPLE算法用于內部流體網格單元，迭代過程中的壓力修正，見方程30：

δp＝-sβω 30

其中，s為上一時刻連續方程右邊的一個不為零的源項，迭代須進行到所有網格上的s不大于0.001為止；ω是為提高計算精度而在壓力修正項的右端引入的壓力松弛因子，取值1.7；β是與網格參數和時間步長有關的量，表達式見方程31：

其中

求解迭代過程中，流體單元采用的速度修正方程32如下：

h利用壁函數技術計算近壁區流體網格單元的紊動動能k和紊動耗散率ε；

i利用上一時刻的流體體積函數F值和已知的速度場，求出新時刻的F值，據此確定流體自由表面的位置；

j利用虛擬邊界力法模擬波浪與不規則結構物之間的相互作用；

所述的虛擬邊界力法，指的是無需布置物面邊界條件，通過一組離散的邊界力模擬波浪與不規則結構物之間的相互作用，具體是通過一個附件力項來反映；

水平方向虛擬邊界力的計算表達式，如方程35所示：

豎直方向虛擬邊界力的表達式，如方程36所示：

波浪在物理實際中與不規則結構物的作用力分布于其外表面，多數情況下不與離散網格單元重合；因此，計算虛擬邊界力需要用到的速度值，需利用鄰近結構物表面的網格單元的速度插值計算得到；以豎直方向為例，虛擬邊界力的計算式如方程37所示；若結構物邊界與網格單元邊界中心重合，可直接利用網格單元邊界中心點速度求虛擬邊界力，具體見方程38；同理，可推導出不同情況下水平方向虛擬邊界力的計算式；

其中，為網格中心點距離，為物面上的點距最近網格下邊界中心點距離，為物面上的點距最近網格上邊界中心點距離，v_B為物面上B點處的豎直速度，D點的豎直速度v_D由上一迭代步計算獲取；

k進行數值穩定條件和收斂條件的判斷，滿足條件則輸出壓力場和速度場的結果；

l重復上述e至k步驟，直至計算時間達到程序所設定的總時間。