[发明专利]一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于船闸水动力学技术领域，涉及一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法。

背景技术

闸室船舶的停泊安全一直是船闸设计与管理最为关注的问题，而衡量船舶停泊条件的好坏，通常以船舶系缆力的大小予以判断。研究闸室船舶系缆力，首先需考虑作用于过闸船舶锚泊系统上的水动力荷载。船闸输水过程中闸室船舶与水体间的相互作用系“浮体-水流”耦合动力响应问题，即船闸灌泄水时，闸室船舶锚泊系统将受水流作用，同时船体随闸室水位的升降而作上下运动，反过来船体的运动状态必然引起船舶周围流场、压力等参数的变化。对于船舶与水体间的耦合动力响应研究，有不少学者做过相关工作，如海上工作平台在波浪作用下的动力响应、浮体和系泊浮体在波浪作用下的动力响应、高速水流冲击浮体的运动响应、锚泊在港的船舶系缆力计算等。以上研究大多集中在波浪环境下浮体与流体间耦合作用的动力响应，这与船闸输水过程“船舶—水流”间的耦合动力响应差异较大。原因在于，一方面船闸输水时闸室内水位、流速都随时间变化而变化，船舶将受非恒定流作用；另一方面，船舶在闸室中的运动属大位移问题，且运动区域为限制性水域。因此，将已有的关于流固耦合动力响应研究方法直接运用于闸室船舶的系缆力计算存在较大困难。

Jong等研究了闸室内涌浪对船舶的水动力作用及船舶的运动响应，并根据研究成果开发了闸室内船舶纵向力的计算程序，该程序假定了船舶所受纵向力是由三个分力的叠加，即推进波、均匀流和集中灌水形成的射流。Kalkwijk建立了闸室船舶在水平面上的受力方程，但该方程仅适用于某一特定的船闸输水系统。Natale等针对闸门开孔的输水系统、环形廊道输水系统以及闸墙长廊道侧支孔输水系统，得出了闸室船舶含两个自由度的振动方程。由于该方程考虑了锚泊系统的阻尼系数，但未给出系数的具体取值。Stockstill通过物理模型试验，分析讨论了系数的计算公式，并建立了闸室系泊船舶的振动方程。限于闸室船舶受力过程的复杂性，上述振动方程的建立均假设了船舶浮力始终与重力平衡，这与船舶实际运动过程不相符。此外，船舶横向受力亦是闸室停泊条件的重要研究内容，但上述振动方程只考虑了船舶的纵向受力。

限于船闸输水过程闸室船舶系缆力数值计算的诸多困难，目前主要采用物理模型试验和现场原型观测方法，这需消耗大量的人力和物力，且研究成果的精度受试验条件及尺度效应的影响。因此，急需一种能够高效、准确模拟船闸输水过程闸室船舶系缆力的数值计算方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，该方法基于“船舶—水流”间的耦合动力响应，建立船舶运动控制方程及纵向和横向受力方程；利用FLUENT流体计算平台，借助用户自定义函数（UDF）编制闸室船舶系缆力并行计算程序，通过建立船闸整体输水系统三维数学模型实现闸室船舶系缆力数值模拟。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，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Compiled UDFs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。