[发明专利]一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法

权利要求书

1.一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：绘制船闸输水系统三维几何模型，并对该模型采用分块四面体和六面体混合网格进行剖分，定义边界类型，输出*.mesh文件；

步骤二：将步骤一中输出的mesh文件导入流体计算平台FLUENT中，进行网格检查和调整、三维紊流和两相流模型的选取、设定参考压力、重力作用以及水的材质、定义初始相和第二相；

步骤三：根据闸室船舶系缆力物理模型试验边界条件，同时基于“船舶—水流”耦合动力响应，通过对船舶在平面上受水流作用力、纵向和前横向及后横向系缆力的受力平衡分析，建立受力方程组；通过牛顿第二运动定律建立船舶升降运动控制方程；

步骤四：通过用户自定义函数UDF定义工作阀门的动态启闭方式、船舶系缆力的计算程序及其运动控制程序、引航道的压力边界；

步骤五：通过FLUENT软件提供的CompiledUDFs面板对定义好的UDF进行编译，以动态连接到Fluent求解器上；

步骤六：通过FLUENT软件提供的动网格模块，进行动网格方案选取及其参数设置，阀门和船舶运动边界的运动属性设置；

步骤七：定义其他边界条件；

步骤八：采用控制体积法对紊流偏微分控制方程组进行离散化，得到代数方程组并利用以上边界条件进行封闭；

步骤九：选择代数方程组的求解算法、对计算域进行初始化、设定时间步长，利用FLUENT求解器对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度为止，完成船闸输水过程的闸室船舶系缆力数值模拟，同时实时输出每一时间步内的船舶位移、运动速度和船舶系缆力计算成果。

2.根据权利要求1所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：在步骤一中，定义的边界类型包括：1）上引航道进口或下引航道出口、阀门井以及闸室顶面定义为压力边界；2）工作阀门的壁面定义为运动边界，将与运动边界相关联的廊道左右边壁及阀门井边壁定义为变形面；3）船舶表面定义为运动边界。

3.根据权利要求2所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：步骤三中建立的受力方程组包括纵向和横向受力方程以及对船舶质心的力矩方程。

4.根据权利要求3所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：在步骤四中具体包括：1）根据工作阀门的启闭速度，使用Fluent Inc.提供的预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义；2）船舶系缆力的计算及其运动控制同样使用预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义，根据剖分的船体表面网格，采用数值积分方法分别求出船舶受纵向、横向以及沿水深方向的水压力和粘滞力及其对船舶质心所产生的力矩，然后将计算出的水流作用力代入步骤三中所建立的三个受力方程，求出纵向和前横向及后横向系缆力；进行船舶升降运动控制时，为避免因船舶运动速度的过快而导致网格在重构时出现负体积，计算过程中对船舶运动速度及其运动方向上的水流作用力进行时均化处理，将整个计算时间划分为若干个运动时段，在每个运动时段内均作匀速运动，当前时段内的速度大小为上一时段内的速度值与作时均处理后的速度变化值之代数和；3）根据沿水深的静水压力分布，使用预定义宏DEFINE_PROFILE定义引航道的压力边界。

5.根据权利要求4所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：在步骤六中选用的动网格方案为弹簧光顺法和局部网格重构法,将阀门运动边界和相关的变形面分别设定为刚体运动和变形类型，同时阀门运动边界运动属性设置为步骤四中1）定义的UDF；将船舶运动边界设定为刚体运动类型，且运动属性设置为步骤四中2）定义的UDF。

6.根据权利要求5所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：步骤七具体包括：对于灌水过程，引航道进口边界设置为步骤四中3）定义的UDF，两侧阀门井采用空气压力进口，闸室采用空气压力出口；对于泄水过程，引航道出口边界设置为步骤四中3）定义的UDF，两侧阀门井采用空气压力出口，闸室采用空气压力进口；其余边界均定义为无滑移的固壁边界。