[发明专利]一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法

说明书

本发明公开了一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法，其特点是：该方法是基于雷诺时均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；通过SIMPLE算法迭代调整压力，使得内部流体单元满足连续方程，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；同传统的计算波浪与不规则结构物相互作用的方法相比较，本发明基于考虑流体粘性的N‑S方程、采用矩形网格划分计算区域，具有数值结果更符合物理实际的优点。

技术领域：

本发明涉及防波堤技术领域，具体地讲是一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法；该发明可用于波浪与圆柱体、弧形防波墙、海洋平台、半圆型防波堤等海洋工程不规则结构物相互作用问题的研究。

背景技术：

随着海洋经济的快速发展和国家大力推动“海上丝绸之路”经济带建设，许多大型港口、码头、海洋平台、跨海大桥、浮式飞机场和人工岛等正逐步向海况恶劣、地质条件复杂的较深海域发展。以斜坡式和沉箱重力式为主的传统防波堤结构型式存在工程造价高、施工困难、不利于掩护海域水体交换等缺点，已无法满足海洋工程建设对防波堤结构型式及其功能的要求。近年来，专家学者们陆续开展新型防波堤结构研究，并提出各种型式的透空式和浮式防波堤。为满足不同结构与功能要求，各种新型防波堤结构的几何外形呈现不规则化。关于波浪与此类不规则结构物相互作用的研究，部分学者采用基于势流理论的边界元法(Liu et al.,2009；Ning et al.,2014；Zhou et al.,2015；王双强等,2016)开展。此方法将流体概化为无粘、无旋的理想流体，与实际流体运动的有旋性、漩涡的扩散性和能量的耗散性等存在较大不同，忽略流体粘性作用的势流模型，应用受到一定限制。另有学者采用贴体网格法(Liu,et al.,2009；Li,et al.,2011；李雪艳等,2013)开展；此方法中贴体网格生成较为复杂，且需对控制方程进行坐标变换，影响模型的计算效率。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有计算方法的不足，提供一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法；主要解决现有的方法应用受限及影响模型的计算效率等问题。

本发明的技术方案是：一种计算波浪与不规则结构物相互作用的方法，其特殊之处在于，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；

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；

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；