[发明专利]一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法

权利要求书

1.一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a根据设计的数值水槽尺寸和不规则结构物所在位置，生成计算区域的网格；所述的网格由网格单元组成，包括空网格单元、内部流体网格单元和近壁区流体网格单元；

b对计算区域的流场，设置初始条件；所述的初始条件包括速度和压强的初始值；初始条件指的是计算域内所有网格点上的速度均设置为零，全域的压强值按静水压强分布设置；

c基于雷诺时均N-S方程组模拟粘性波动流体，利用湍流模型封闭N-S方程组，作为计算方法的控制方程；所述的雷诺时均N-S方程组包括动量方程和连续方程；

d利用有限差分法对控制方程进行离散；所述的有限差分法的差分网格采用交错网格；

e设置计算区域的边界条件，所述的边界条件包括造波边界条件、开边界条件、数值水槽上下边界条件；

f将设定速度和压强的初始值代入动量方程，求出计算区域新时刻速度场的近似解；

g通过SIMPLE算法迭代调整压力，使得内部流体网格单元满足连续方程，自由表面单元满足自由表面动力边界条件，同时调整速度场；

所述的SIMPLE算法用于内部流体网格单元，迭代过程中的压力修正，见方程30：

δp＝-sβω 30

其中，s为上一时刻连续方程右边的一个不为零的源项，迭代须进行到所有网格上的s不大于0.001为止；ω是为提高计算精度而在压力修正项的右端引入的压力松弛因子，取值1.7；β是与网格参数和时间步长有关的量，表达式见方程31：

其中

求解迭代过程中，流体单元采用的速度修正方程32如下：

h利用壁函数技术计算近壁区流体网格单元的紊动动能k和紊动耗散率ε；

i利用上一时刻的流体体积函数F值和已知的速度场，求出新时刻的F值，据此确定流体自由表面的位置；

j利用虚拟边界力法模拟波浪与不规则结构物之间的相互作用；

所述的虚拟边界力法，指的是无需布置物面边界条件，通过一组离散的边界力模拟波浪与不规则结构物之间的相互作用，具体是通过一个附件力项来反映；

水平方向虚拟边界力的计算表达式，如方程35所示：

竖直方向虚拟边界力的表达式，如方程36所示：

波浪在物理实际中与不规则结构物的作用力分布于其外表面，多数情况下不与离散网格单元重合；因此，计算虚拟边界力需要用到的速度值，需利用邻近结构物表面的网格单元的速度插值计算得到；以竖直方向为例，虚拟边界力的计算式如方程37所示；若结构物边界与网格单元边界中心重合，可直接利用网格单元边界中心点速度求虚拟边界力，具体见方程38；同理，可推导出不同情况下水平方向虚拟边界力的计算式；

其中，为网格中心点距离，为物面上的点距最近网格下边界中心点距离，为物面上的点距最近网格上边界中心点距离，v_B为物面上B点处的竖直速度，D点的竖直速度v_D由上一迭代步计算获取；

k进行数值稳定条件和收敛条件的判断，满足条件则输出压力场和速度场的结果；

l重复上述e至k步骤，直至计算时间达到程序所设定的总时间。