[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

说明书

一种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，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，本发明通过力源法避免结构物动边界引起的流体计算域中计算网格的畸变，降低网格重复生成的计算成本；通过动力学方程中体积力(力源)的合理布置及强度设定，强制流场严格满足结构物运动过程中的固体壁面的运动学条件，实现流固耦合的一体化数值仿真；采用高效流固边界识别技术和高精度流固边界数据交换的数值插值方法，实现大幅度运动的水工结构物的高效仿真。

技术领域

本发明涉及的是一种计算流体力学领域的技术，具体是一种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，适用于波流环境中结构物的大幅度刚体运动和柔性体运动。

背景技术

数值仿真在流固耦合动力学的研究中应用广泛。在海洋工程、海岸工程和水利工程的水工结构物的工程建设中，流固耦合数值模拟在工程预研、结构物设计过程中发挥着重要作用，尤其是提高大型水利工程建设预研工作的可靠性及降低设计成本。流固耦合运动的数值模拟通常需要不断更新固体在流体中的位置和重构流体域计算网格及设定流固边界条件，通过往复迭代实现耦合模拟。难点在于结构运动过程中流体域计算网格的重新剖分(动网格)和边界条件的重构(固体边界的模拟)。结构物的高频大幅度运动不仅增加流体域中计算网格重新生成的计算消耗，同时导致计算网格畸变降低网格质量。动边界的模拟需要采用高阶插值格式以降低计算误差。上述数值模拟方法需要较大的计算成本。为保证精度及数值稳定性，无论计算域尺度，还是网格分辨率和计算迭代时间步长均受到限制。

力源法(浸没边界法)提出了一种流固耦合模拟的数值方法，其在固定计算网格系统中实施，无需流体运动模拟过程中计算网格的重新生成，避免畸形网格的出现，降低流体计算网格重复生成的计算代价。对于水体中固体大幅度运动的数值模拟，力源法兼顾模拟精度与效率，满足海洋工程、水利工程中波流结构物耦合运动仿真的工程应用。

发明内容

本发明针对现有技术无法应用于计算域尺度巨大的大型水利工程，如河口挡潮闸的开闭过程、海洋平台等的不足，提出一种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，通过力源法避免结构物动边界引起的流体计算域中计算网格的畸变，降低网格重复生成的计算成本；通过动力学方程中体积力(力源)的合理布置及强度设定，强制流场严格满足结构物运动过程中的固体壁面的运动学条件，实现流固耦合的一体化数值仿真；采用高效流固边界识别技术和高精度流固边界数据交换的数值插值方法，实现大幅度运动的水工结构物的高效仿真。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及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，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是指：计算域入口处的水动力学参数，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是指：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。

本发明涉及一种基于上述系统的力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟方法，包括：