[发明专利]基于力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟系统及方法

权利要求书

1.一种波流水动力环境下结构物动力学的流固耦合仿真系统，其特征在于，包括：波流数值仿真模块、边界识别模块、力源计算模块和结构物动力学仿真模块，其中：波流数值仿真模块根据输入的波流场边界条件进行数值模拟，得到流速和压力的空间分布信息；边界识别模块根据输入的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，确定流体域内的固体所占区域和固体边界离散点位置；力源计算模块根据背景流速场信息进行插值处理，得到代表固体边界的离散点处的力源强度；结构物动力学仿真模块根据离散点处的力源强度，计算固体所受的水动力载荷，求解刚体动力学方程，计算得到固体位移并更新固体边界后输出至边界识别模块，计算波流在离散点处施加力源后的动力学方程，得到更新的流场信息；

所述的波流场边界条件包括波周期、波高、水流速度；

所述的水工结构物的外形几何信息是指：流体域内固体结构物的形状描述；

所述的背景流速场信息包括：流体计算域中围绕固体结构物覆盖区域的流场流速、压力值的空间分布。

2.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的波流数值仿真模块包括：边界条件输入单元、自由表面求解单元和流场求解单元，其中：边界条件输入单元根据输入的水动力信息进行波流入流信息处理，得到波流数值模拟的边界条件；自由表面求解单元计算自由表面位置，得到波流水面的时空演化结果；流场求解单元根据输入的边界条件和自由水面确定的流体计算域信息进行动力学方程求解，得到流场信息；

所述的波流入流信息处理是指：计算域入口处的波周期、波高、水流速度、水深；

所述的自由水面确定的流体计算域信息是指：水体空间分布，由于自由表面的变动，流体计算域时刻发生变化；

所述的动力学方程求解是指：流体动力学的基本控制方程，即三维的动量方程；

所述的流场信息包括：流速、压力值的空间分布。

3.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的边界识别模块包括：边界信息输入单元、边界识别单元和离散边界数字化建库单元，其中：虚拟固体边界信息输入单元根据输入的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，得到固体曲面的数学表达式；边界识别单元基于射线理论进行虚拟固体边界识别，划分流固计算域；离散边界数字化建库单元根据虚拟固体边界识别信息进行处理，建立数据库；

所述的虚拟固体边界识别是指：在流体计算域内自动识别固体所占区域，即确定虚拟固体边界在流体计算域内的位置；

所述的虚拟固体边界识别信息是指：流体域内虚拟固体边界的数字化信息；

所述的数据库包括：虚拟固体边界离散点和虚拟固体边界外法向单位矢量。

4.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的力源计算模块包括：虚拟边界力计算单元和力源分布单元，其中：虚拟边界力计算单元根据背景流速场信息进行水动力载荷计算，得到离散点处的力源强度值；力源分布单元根据离散点处的力源强度信息，在流体域内进行两种插值处理，得到交界面附近流体计算单元点处的力源强度值；

所述的水动力载荷计算是指：根据流速、压力信息计算施加于固体的流动载荷；

所述的两种插值包括：线性与二阶插值、δ函数插值，两种插值方式可独立选用。

5.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的结构物动力学仿真模块包括：结构载荷计算单元和动力学求解单元，其中：结构载荷计算单元根据离散点源强度和空间分布信息进行固体所受载荷计算，得到合力与合力矩；动力学求解单元根据固体物性参数和载荷信息进行动力学方程求解，得到更新的位移、速度、加速度结果，进一步更新流固交界面位置和移动速度；

所述的固体所受载荷计算是指：通过流场信息计算固体所受合力和和力矩；

所述的动力学方程求解是指：刚体运动的动量方程和动量矩方程。