[發(fā)明專(zhuān)利]基于兩相粘性流理論的海洋浮標(biāo)水動(dòng)力特性分析方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010193633.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111382537A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 紀(jì)巧玲;趙西增;劉慶凱;劉小慧;徐成浩
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F111/10
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

1.一種基于兩相粘性流理論的海洋浮標(biāo)水動(dòng)力特性分析方法，其特征是：包括以下步驟：

以?xún)上嗔鳌⒉豢蓧嚎s的Navier-Stokes方程組為基本控制方程組，建立氣液兩相流的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，基于上一時(shí)刻浮標(biāo)對(duì)流場(chǎng)的反作用，修正流場(chǎng)，求解波浪場(chǎng)條件；

基于牛頓第二定律，建立浮標(biāo)重心的運(yùn)動(dòng)方程；

利用兩相流數(shù)學(xué)模型計(jì)算作用在浮標(biāo)體上的波浪力和波浪力矩；

求解浮標(biāo)在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨泊系統(tǒng)受力，計(jì)算得到浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于兩相粘性流理論的海洋浮標(biāo)水動(dòng)力特性分析方法，其特征是：以?xún)上嗔鳌⒉豢蓧嚎s的Navier-Stokes方程組為基本控制方程組，建立氣液兩相流的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的具體過(guò)程包括：

步驟11，在牛頓流體范圍內(nèi)，采用Navier-Stokes方程描述水體和氣體的運(yùn)動(dòng)，

式中，u_i(i＝1,2)為速度分量，σ_ij為粘性力，σ_ij＝-pδ_ij+2μ(1-δ_ij/3)S_ij，f_i表示重力；

步驟12，在計(jì)算域內(nèi)，采用多相流的描述方式，引入體積函數(shù)滿(mǎn)足方程

式中，表示目標(biāo)流體在控制元中所占的比值，其中，Ω_m表示被水體或空氣占據(jù)的計(jì)算區(qū)域；

步驟13，在笛卡爾交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)采用有限差分的方法進(jìn)行控制方程的求解，控制方程改寫(xiě)為如下形式，

運(yùn)用分步計(jì)算方法將計(jì)算過(guò)程分為兩個(gè)：對(duì)流過(guò)程和非對(duì)流過(guò)程；

步驟14，體積函數(shù)的求解，采用雙曲正切函數(shù)格式求解；

經(jīng)過(guò)以上步驟的計(jì)算，得到波浪場(chǎng)的速度、壓力和波面條件。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于兩相粘性流理論的海洋浮標(biāo)水動(dòng)力特性分析方法，其特征是：步驟13的具體步驟包含以下兩個(gè)步驟：

步驟131，分解出的對(duì)流過(guò)程的方程式如下：

該方程采用緊致差分法求解；

步驟132，分解出的非對(duì)流過(guò)程的方程式如下

和

此兩個(gè)方程分別采用中心差分格式和顯式差分，隱式差分和超松弛迭代方法求解。

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于兩相粘性流理論的海洋浮標(biāo)水動(dòng)力特性分析方法，其特征是：采用浸沒(méi)邊界法計(jì)算浮標(biāo)體運(yùn)動(dòng)對(duì)流體產(chǎn)生的反作用力，修正流場(chǎng)。

5.如權(quán)利要求1所述的一種基于兩相粘性流理論的海洋浮標(biāo)水動(dòng)力特性分析方法，其特征是：基于牛頓第二定律，建立浮標(biāo)重心的運(yùn)動(dòng)方程的具體過(guò)程包括：

假定浮標(biāo)體有兩個(gè)張緊式系泊纜索約束，浮標(biāo)體橫斷面表面上的流體瞬時(shí)力為F_iwx，F(xiàn)_iwz，其中i表示浮標(biāo)體的某一個(gè)表面，其上的拉力分別為T(mén)₁、T₂。根據(jù)牛頓第二定律，有：

∑F_x＝∑F_iwx+T₁ cosθ₁+T₂ cosθ₂＝ma_x

∑F_z＝∑F_iwz-mg+T₁ sinθ₁+T₂ sinθ₂＝ma_z

∑M_c·Fx+∑M_c·Fz+∑M_c·T＝mα_c

式中，m為浮標(biāo)體的質(zhì)量，a_x和a_z為浮標(biāo)體重心在水平和垂直兩方向上的加速度，α_c為浮標(biāo)體重心繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，M_c·Fx、M_c·Fz、M_c·T分別為波浪水平力和垂直力以及纜索拉力對(duì)浮箱重心的力矩，θ₁和θ₂為兩纜索與水平軸正向的夾角。