[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

本發明公開了一種計算波浪與不規則結構物相互作用的方法，其特點是：該方法是基于雷諾時均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；通過SIMPLE算法迭代調整壓力，使得內部流體單元滿足連續方程，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；同傳統的計算波浪與不規則結構物相互作用的方法相比較，本發明基于考慮流體粘性的N?S方程、采用矩形網格劃分計算區域，具有數值結果更符合物理實際的優點。

技術領域：

本發明涉及防波堤技術領域，具體地講是一種計算波浪與不規則結構物相互作用的方法；該發明可用于波浪與圓柱體、弧形防波墻、海洋平臺、半圓型防波堤等海洋工程不規則結構物相互作用問題的研究。

背景技術：

隨著海洋經濟的快速發展和國家大力推動“海上絲綢之路”經濟帶建設，許多大型港口、碼頭、海洋平臺、跨海大橋、浮式飛機場和人工島等正逐步向海況惡劣、地質條件復雜的較深海域發展。以斜坡式和沉箱重力式為主的傳統防波堤結構型式存在工程造價高、施工困難、不利于掩護海域水體交換等缺點，已無法滿足海洋工程建設對防波堤結構型式及其功能的要求。近年來，專家學者們陸續開展新型防波堤結構研究，并提出各種型式的透空式和浮式防波堤。為滿足不同結構與功能要求，各種新型防波堤結構的幾何外形呈現不規則化。關于波浪與此類不規則結構物相互作用的研究，部分學者采用基于勢流理論的邊界元法(Liu et al.,2009；Ning et al.,2014；Zhou et al.,2015；王雙強等,2016)開展。此方法將流體概化為無粘、無旋的理想流體，與實際流體運動的有旋性、漩渦的擴散性和能量的耗散性等存在較大不同，忽略流體粘性作用的勢流模型，應用受到一定限制。另有學者采用貼體網格法(Liu,et al.,2009；Li,et al.,2011；李雪艷等,2013)開展；此方法中貼體網格生成較為復雜，且需對控制方程進行坐標變換，影響模型的計算效率。

發明內容：

本發明的目的是克服上述已有計算方法的不足，提供一種計算波浪與不規則結構物相互作用的方法；主要解決現有的方法應用受限及影響模型的計算效率等問題。

本發明的技術方案是：一種計算波浪與不規則結構物相互作用的方法，其特殊之處在于，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；

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；

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；