[發(fā)明專利]一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810070914.3
• 申請(qǐng)日: 2018-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN107992715B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李雪艷;張振華;王慶;姜睿;李波;戚瀚文;張笑敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 魯東大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 煙臺(tái)雙聯(lián)專利事務(wù)所(普通合伙) 37225
• 代理人: 梁翠榮

1.一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

a根據(jù)所建立的數(shù)值水槽尺寸和弧板式防波堤結(jié)構(gòu)所在的位置，采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)生成計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格；沿水槽水平和垂直方向均勻劃分網(wǎng)格，水深方向的網(wǎng)格總長度大于水深與最大波高之和，且留有一定數(shù)量的空網(wǎng)格，以確保波動(dòng)水面不受上邊界限制；

b初始化計(jì)算區(qū)域的數(shù)值參數(shù)，計(jì)算區(qū)域所有網(wǎng)格點(diǎn)上的速度均設(shè)置為零，全域的壓強(qiáng)值按靜水壓強(qiáng)分布設(shè)置；

c基于雷諾時(shí)均N-S方程組模擬考慮流體粘性的波浪運(yùn)動(dòng)，利用湍流模型封閉N-S方程組，作為計(jì)算方法的控制方程；所述的雷諾時(shí)均N-S方程組包括動(dòng)量方程和連續(xù)方程；

d利用有限差分法對(duì)控制方程進(jìn)行離散；所述的有限差分法的差分網(wǎng)格采用同位網(wǎng)格；

e設(shè)置計(jì)算區(qū)域的造波邊界條件、開邊界條件、數(shù)值水槽上下邊界條件；

f根據(jù)速度、壓強(qiáng)初始值，求出新時(shí)刻流場(chǎng)近似解，通過SIMPLE算法迭代調(diào)整壓力，使得內(nèi)部流體單元滿足連續(xù)方程，自由表面單元滿足自由表面動(dòng)力邊界條件，同時(shí)調(diào)整速度場(chǎng)；

g利用上一時(shí)刻的流體體積函數(shù)F值和已知的速度場(chǎng)，求出新時(shí)刻的F值，據(jù)此確定流體自由表面的位置；

h利用虛擬邊界力法模擬波浪與弧板式防波堤之間的相互作用；

i判斷計(jì)算過程是否滿足數(shù)值穩(wěn)定條件和收斂條件，若滿足，則輸出壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)結(jié)果；

j重復(fù)上述e至i步驟，直至計(jì)算時(shí)間達(dá)到程序所設(shè)定的總時(shí)間；

其中，c步驟所述的雷諾時(shí)均N-S方程組包括增加虛擬邊界力項(xiàng)的水平方向時(shí)均動(dòng)量方程(1)、豎直方向時(shí)均動(dòng)量方程(2)和連續(xù)方程(3)，

u為x方向的速度分量，v為y方向的速度分量，t為計(jì)算時(shí)間，g_x為水平方向重力加速度，取值為零，g_y為垂直方向的重力加速度，取值為9.81N/kg，p為流體壓力，ρ為流體密度，ν為流體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，是紊動(dòng)粘性系數(shù)，k為紊動(dòng)動(dòng)能，ε紊動(dòng)耗散率；f_xvbf和f_yvbf分別為虛擬邊界力在x和y方向的分量，θ為部分單元體參數(shù)，即結(jié)構(gòu)物在整個(gè)網(wǎng)格單元中所占的面積與網(wǎng)格單元總面積的比值，范圍在0～1之間；

其中，d步驟所述的利用有限差分法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，水平方向時(shí)均動(dòng)量方程的差分格式詳見方程(6)：

其中，δt為時(shí)間步長，F(xiàn)UX代表水平方向?qū)α黜?xiàng)，F(xiàn)UY代表豎直方向?qū)α黜?xiàng)，VISX和TUBX分別代表運(yùn)動(dòng)粘性項(xiàng)和紊動(dòng)粘性項(xiàng)，f_xvbf為x方向的虛擬邊界力項(xiàng)；

其中，h步驟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(guī)則結(jié)構(gòu)物之間的相互作用具體是在時(shí)均動(dòng)量方程(1)和方程(2)的右端項(xiàng)中添加一個(gè)附件力項(xiàng)來反映；

根據(jù)水平方向時(shí)均動(dòng)量方程(6)的表達(dá)式，推導(dǎo)出水平方向虛擬邊界力的計(jì)算表達(dá)式如方程(30)所示：

同理，推導(dǎo)出豎直方向虛擬邊界力的表達(dá)式如方程(31)所示：

波浪在物理實(shí)際中與不規(guī)則結(jié)構(gòu)物的作用力分布于其外表面，多數(shù)情況下不與離散網(wǎng)格單元重合；因此，計(jì)算虛擬邊界力需要用到的速度值，需利用鄰近結(jié)構(gòu)物表面的網(wǎng)格單元的速度插值計(jì)算得到；以豎直方向?yàn)槔摂M邊界力的計(jì)算式如方程(32)所示；若結(jié)構(gòu)物邊界與網(wǎng)格單元中心重合，可直接利用網(wǎng)格單元中心點(diǎn)速度求虛擬邊界力，具體見方程式(33)；同理，可推導(dǎo)出不同情況下水平方向虛擬邊界力的計(jì)算式；

其中，為網(wǎng)格中心點(diǎn)距離，為物面上的點(diǎn)距最近網(wǎng)格下邊界中心點(diǎn)距離，為物面上的點(diǎn)距最近網(wǎng)格上邊界中心點(diǎn)距離，v_B為物面上B點(diǎn)處的豎直速度，D點(diǎn)的豎直速度v_D由上一迭代步計(jì)算獲取；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法，其特征在于，所述的湍流模型為k-ε模型，由K方程4和ε方程(5)組成；

其中，其它參數(shù)C_u＝0.09，C_ε1＝1.43，σ_k＝1.0，σ_ε＝0.1643，C_ε2＝1.92。