[發明專利]一種深海養殖工船水動力數值預報方法及其設備

在審

• 申請號: 202310517140.5
• 申請日: 2023-05-09
• 公開（公告）號: CN116522819A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 李彬彬;劉子琪
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀鋒

本發明公開了一種深海養殖工船水動力數值預報方法及其設備，包括：S1、建立數值預報模型，對養殖工船的船體外殼與網衣表面進行網格劃分；S2、確定計算中波浪頻率、浪向和金屬網衣的孔隙效應系數；S3、利用邊界元方法直接求解各點的速度勢，計算得到養殖工船所受波浪激勵力、附加質量系數、阻尼系數及運動響應幅值算子數據；S4、重復步驟S3，得到不同S2輸入參數下的水動力計算數據，并將不同自由度下的計算數據結果進行后處理，以進行養殖工船耐波性能的預報。本發明能大幅降低計算所需單元數量，提高計算效率，考慮船體與網衣的水動力耦合效應，實現對養殖工船水動力和耐波性高效數值預報，提高結構設計與系泊系統設計的計算效率。

技術領域

本發明涉及海洋工程裝備的技術領域，特別是涉及一種深海養殖工船水動力數值預報方法及其設備。

背景技術

隨著經濟的發展，當今社會對高質量海水養殖產品的需求迅速增長。相較傳統的淺灘養殖，深海養殖具有養殖空間廣闊、環境相對友好、養殖效率高和養殖產品質量優異等優勢，因此進行以深海養殖為代表的海水養殖業開發是當今世界公認的發展趨勢。然而，深海環境復雜多變且缺乏屏障保護，傳統的柔性養殖網箱無法抵擋較大的風浪荷載，將在惡劣的深海環境中產生巨大變形，難以保障作業人員和養殖生物的安全，從而迫使深海養殖設備開始轉型升級，深海養殖工船的設計理念因此誕生并于近些年高速發展。

深海養殖工船以典型的船體或海洋工程結構作為主體框架并提供浮力，并使用金屬網衣包覆結構表面來進行內外水體交換。由于深海養殖工船需要進行長期的在位作業，為了抵抗極端環境荷載，對深海養殖工船受到的波浪荷載和水動力性能進行預報，對其在結構設計、運動響應極值和系泊系統設計階段都尤為重要。

關于浮體水動力問題的研究主要有物理試驗和數值模擬兩種方法，由于數值模擬方法不需要考慮模型尺寸、測量精度和非人為因素的干擾，并且成本較低，因此近些年隨著計算機計算能力的提升而高速發展。金屬網衣結構是深海養殖工船的重要組成部分，承受著復雜的波流作用，因此研究其水動力性能具有十分重要的意義。目前，對金屬網衣結構進行數值模擬主要使用Morison模型(莫里森模型)和Screen模型(屏幕模型)兩種方法。這兩種方法均由阻力公式發展而來，原理簡單應用廣泛。其中Morison方法將金屬網衣受力處理為單個繩線受力之和，Screen方法則將金屬網衣等效為由多片面板組成的結構。

考慮到在波浪中運動時深海養殖工船的大體積船體結構所產生的輻射和繞射會使得金屬網衣周邊的水質點運動不同于僅受入射波作用的情況，因此金屬網衣的水動力荷載會受到船體作用的影響。同時，金屬網衣的水動力效應會反過來將影響船體結構的運動響應，而現有技術將船體和金屬網衣分開，船體部分使用勢流理論進行計算，金屬網衣結構使用Morison方法或Screen方法進行計算，兩部分互不影響，無法考慮船體和金屬網衣水動耦合。

此外，Morison方法和Screen方法對于阻尼系數的選取仍然嚴重依賴經驗。并且Morison方法需要使用大量的單元來等效結構以保證計算精度，這極大限制了其在大型的深海養殖工船上的應用。因此，根據現有方法計算出的水動力數值進行數值預報的效率和準確度較低。

深海養殖工船在作業時，會受到風浪流等環境因素的影響，產生不同的水動力和運動響應。進行水動力性能預報是深海養殖工船在設計、建造和運營過程中的重要內容，其可以評估深海養殖工船的性能、安全性和經濟性，為深海養殖工船的優化設計、結構強度分析、穩定性分析、操縱性分析、航行規劃等提供依據。考慮到深海養殖工船投資大、作業環境惡劣，其結構安全更是顯得尤為重要。因此，深海養殖工船的水動力性能預報亟需一種高效且有針對性的數值計算方法以滿足當前工程設計與分析的需求。

發明內容

為了解決現有的水動力數值預報的效率和準確度較低的技術問題，本發明的首要目的在于提供一種深海養殖工船水動力數值預報方法。

本發明的再一目的是提供一種包括上述深海養殖工船水動力數值預報方法的設備。