[發(fā)明專(zhuān)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(kāi)（公告）號(hào): CN107992715B
• 公開(kāi)（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(zhuān)利權(quán)）人: 魯東大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 煙臺(tái)雙聯(lián)專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 37225
• 代理人: 梁翠榮

本發(fā)明提供一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法，該方法是基于雷諾時(shí)均N?S方程組模擬考慮粘性的波浪運(yùn)動(dòng)，利用湍流模型封閉N?S方程組，作為本發(fā)明計(jì)算方法的控制方程；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；同傳統(tǒng)的弧板式防波堤受力計(jì)算方法相比較，本發(fā)明采用虛擬邊界力法描述波浪與弧板式防波堤之間的相互作用，無(wú)需在弧板式防波堤表面布置邊界條件，可極大的提高數(shù)值計(jì)算的效率。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及防波堤工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地講是一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法；該發(fā)明可用于大型海洋平臺(tái)、半圓型防波堤等海洋工程不規(guī)則結(jié)構(gòu)物的研究。

背景技術(shù)：

弧板式防波堤作為一種新型防波堤結(jié)構(gòu)型式，既可以通過(guò)錨鏈固定成為浮式防波堤，又可以通過(guò)樁基支撐形成透空式防波堤。與傳統(tǒng)的消波防浪結(jié)構(gòu)相比，弧板式防波堤具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它能通過(guò)破壞水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡有效消散波能，同時(shí)兼具對(duì)地基要求低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、生態(tài)環(huán)保、節(jié)約材料和利于港區(qū)內(nèi)外水體自由交換等優(yōu)點(diǎn)，符合新世紀(jì)“可持續(xù)發(fā)展的綠色生態(tài)港口”的基本要求。由于弧板式防波堤的消浪性能對(duì)于海洋工程設(shè)施的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性至關(guān)重要，提出一種計(jì)算波浪與弧板式防波堤相互作用的方法具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)于波浪與此類(lèi)不規(guī)則結(jié)構(gòu)物相互作用的研究，部分學(xué)者采用基于勢(shì)流理論的邊界元法(Liu et al.,2009；Ning et al.,2014；Zhou et al.,2015；王雙強(qiáng)等,2016)開(kāi)展。此方法沒(méi)有考慮流體的有旋性、漩渦的擴(kuò)散性和能量的耗散性，是一種概化的無(wú)粘、無(wú)旋的理想流體，與實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)存在較大差別，其應(yīng)用受到一定限制。另有學(xué)者采用貼體網(wǎng)格法(Liu,et al.,2009；Li,et al.,2011；李雪艷等,2013)開(kāi)展。此方法中貼體網(wǎng)格生成方法較為復(fù)雜，且需對(duì)流體控制方程進(jìn)行曲線坐標(biāo)變換，影響模型的計(jì)算效率。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是克服已有計(jì)算方法的不足，提供一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法；主要解決現(xiàn)有的方法應(yīng)用受限及影響模型的計(jì)算效率等問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于虛擬邊界力法的弧板式防波堤受力計(jì)算方法，其特殊之處在于，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(zhǎng)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)算域內(nèi)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(kāi)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(guò)SIMPLE算法迭代調(diào)整壓力，使得內(nèi)部流體單元滿(mǎn)足連續(xù)方程，自由表面單元滿(mǎn)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(guò)程是否滿(mǎn)足數(shù)值穩(wěn)定條件和收斂條件，若滿(mǎn)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步驟所述過(guò)程，直至計(jì)算時(shí)間達(dá)到程序所設(shè)定的總時(shí)間。