[發明專利]基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法

在審

• 申請號: 201910150378.2
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN110020459A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 楊奕;梅天祥;顧菊平;張桂紅;陳建波;顧海勤;高龍;任曉琳
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南通市永通專利事務所(普通合伙) 32100
• 代理人: 葛雷

本發明公開了一種基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法，包括：采用CFD的基本控制方程、建立湍流模型、建立VOF模型、采用動網格技術、船在明渠流中航行的計算模型、船舶在明渠流中航行的仿真策略等步驟。本發明通過模擬明渠流二階Stoke波，得到波面的時間歷程圖像，實現了波浪的生成、傳播、變形、消波的過程。

技術領域

本發明涉及一種基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法。

背景技術

隨著海洋工程的發展，船舶作業逐漸由近海走向深海，人們對船舶的安全性能提出越來越高的要求。船舶在海上行駛時，會受到海風、海浪、海流等因素的擾動，就會發生各種搖擺運動。在這些干擾因素中，海浪是引起船舶搖擺運動的主要原因。因此，研究海浪對船舶姿態的擾動引起人們的重視。

波浪對船體擾動的研究，很早就有一些學者對此進行學術研究，主要方法有CFD方法與實驗法。CFD方法是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。而實驗法的成本巨大，一般采用較少。19世紀60年代初，傅汝德首次提出船舶運動的橫搖理論。到20世紀50年代，波浪對船舶擾動的研究取得了重大突破是譜分析法的引入，1953年，皮爾遜(Pierson)和圣·丹尼斯(St·Denis)兩人將用在通信領域處理噪聲的理論應用于船舶于不規則波浪中的運動，提出在不規則波浪中船體運動的理論方法。對船體的六個自由度仿真研究中，國內外采用了不少半實物仿真平臺，如日本的IHI公司研發的船舶模擬器、大連海事大學的船舶姿態控制平臺等，提出以規則的正弦波代替實際海浪研究海浪對船舶的干擾。2007年華中科技大學的王曦運用MATLAB軟件對根據修正的切片理論的船體垂蕩和縱搖進行數值模擬，推導出Wigley船模在規則波中作垂蕩運動和縱搖運動的方程。2011年，上海交通大學的倪崇本考慮自由液面的影響開展的興波阻力計算，在進行網格劃分時加密船體周圍網格，并且將船體附近的網格作為隨體網格一起做剛體運動，采用動網格模型預報了S60船舶的航行姿態。2014年，大連海事大學的陶毅涵對基于CFD的規則波中船舶波浪力模型進行研究，證明了采用CFD數值模擬的方法研究船舶波浪力是可行的且結果準確性較高。

綜合前人對船隨波浪運動的研究，可知CFD方法對船隨波浪運動流場數值模擬的可靠性和準確性，相較于理論數值計算可以清晰地獲得其流場分布信息，相較于實驗方法又節約了經濟成本。另外可以知道大多學者把波浪看作是正弦波來進行理論研究，但在實際海洋中，有學者指出船在行駛時的波浪一定不是正弦波。

發明內容

本發明的目的在于提供一種從模擬真實海況下的波浪出發的基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法。

本發明的技術解決方案是：

一種基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法，其特征是：包括下列步驟：

(1)采用CFD的基本控制方程：

質量守恒方程(1)、動量守恒方程(2)和能量守恒方程(3)；

其中ρ是密度，t是時間，u是速度矢量，S_u、S_v和S_w是動量守恒方程的廣義源項，其中，u、v和w分別是速度矢量u在x、y和z方向上的分量，μ是動力粘度，λ為第二粘度；對于粘性為常數的不可壓縮流體，源項為零；T表示溫度，k表示流體傳熱系數，c_p表示比熱容，S_T表示粘性耗散熱，對于不可壓縮流體，熱交換量較小，可忽略不計；

(2)建立湍流模型

考慮到船在航行時海水密度變化很小，不會對流體流動產生突出的影響，則不可壓縮流體運用時均運算法則得到Reynolds平均Navier-Stokes方程為：