[發明專利]一種高效的兩相流無網格數值模型實施方法、裝置

有效

• 申請號: 202110767882.4
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113361217B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 劉勇;陳永焜;劉曉;方輝;胡佳明
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 張明明

本發明提供了一種高效的兩相流無網格數值模型實施方法、裝置，屬于數值模擬技術領域。所述兩相流無網格數值模型實施方法的主要過程為：當需要空氣粒子時，在計算域中生成空氣粒子，減小時間步長；當不需要空氣粒子時，將計算域內的空氣粒子刪除，同時增大時間步長；通過上述方法，可以將兩相流SPH模型的計算效率提高8倍以上。本發明能夠顯著提升兩相流SPH模型的計算效率，節約計算成本。

技術領域

本發明屬于數值模擬技術領域，具體涉及一種高效的兩相流無網格數值模型實施方法、裝置。

背景技術

隨著社會經濟的發展，人類為了開發利用海洋資源，在海洋中修建了大量的海洋結構物。波浪作用下海洋結構物的水動力特性一直是工程師們所關注的重要問題。近年來，隨著計算流體力學數值模擬技術的不斷成熟，數值模擬逐漸成為分析波浪與海洋結構物相互作用的有效手段。

光滑粒子流體動力學方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)是一種新興的拉格朗日形式的無網格粒子法，其最初主要用于解決三維開放空間的天體物理學問題，現已被應用到海洋工程問題。SPH方法較之傳統的基于網格的數值算法，由于其粒子性和拉格朗日性，在求解大變形問題上有巨大的優勢。對于一般模擬波浪與結構物的相互作用而言，具有單相流(水)SPH模型和兩相流(空氣+水)SPH模型。單相流SPH模型不考慮空氣的作用，其計算效率高、穩健性好，能較好的預測波浪作用下結構物的水動力特性。但是對于帶有腔室的海洋結構物，例如開孔沉箱的消浪室結構、高樁碼頭底部的空腔結構等，波浪在與這些結構物相互作用時，需要考慮腔室內空氣變化對水體運動的影響，此時需要采用兩相流SPH模型。兩相流SPH模型雖然能夠考慮腔室內空氣變化對水體運動的影響，但是由于加入空氣粒子，導致計算節點顯著增多，同時由于空氣密度很小，導致計算時間步長極大縮短，這些因素都明顯降低了兩相流SPH數值模型的計算效率。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種高效的兩相流無網格數值模型實施方法、裝置，顯著提高計算效率，節約計算成本。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種高效的兩相流無網格數值模型實施方法，包括步驟：

S1，建立數值波浪水槽，在流體區域布置水粒子；

S2，當結構物空腔處于封閉狀態時，封閉次數k＝k+1，執行S3；若結構物空腔不滿足封閉狀態，則封閉次數k＝0，執行S6；

S3，若k1，執行S4；若k＝1，執行S5；

S4，水粒子和空氣粒子均進行控制方程計算，并使用四階龍格庫塔法對控制方程計算結果進行積分，其中用于獲取時間步長的庫朗數CFL值取0.25；

S5，生成空氣粒子，水粒子和空氣粒子均進行控制方程計算，并使用四階龍格庫塔法對控制方程計算結果進行積分，其中用于獲取時間步長的庫朗數CFL值取0.25；

S6，僅水粒子進行控制方程計算，并使用四階龍格庫塔法對控制方程計算結果進行積分，其中用于獲取時間步長的庫朗數CFL值取2.2；

S7，結構物腔室滿足封閉條件時，封閉次數k＝k+1，執行S4；結構物腔室不滿足封閉條件時，k＝0，刪除所有空氣粒子，水粒子進行控制方程計算，并使用四階龍格庫塔法對控制方程計算結果進行積分，其中用于獲取時間步長的庫朗數CFL值調整為2.2；

S8，判斷是否滿足時間終止條件：ttend，若滿足，則結束計算；不滿足時間終止條件時，t＝t+△t，返回S2。

進一步的技術方案，所述控制方程為：