一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法技术

本发明专利技术提供一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，该方法是基于雷诺时均N‑S方程组模拟考虑粘性的波浪运动，利用湍流模型封闭N‑S方程组，作为本发明专利技术计算方法的控制方程；利用虚拟边界力法模拟波浪与弧板式防波堤之间的相互作用；同传统的弧板式防波堤受力计算方法相比较，本发明专利技术采用虚拟边界力法描述波浪与弧板式防波堤之间的相互作用，无需在弧板式防波堤表面布置边界条件，可极大的提高数值计算的效率。

A force calculation method for arc plate Breakwater Based on virtual boundary force method

The invention provides a force calculation method based on the virtual boundary force method. The method is based on the Raynaud time averaged N S equations to simulate the viscous wave motion. The turbulence model is used to seal the N S equations as the control equation of the method, and the virtual boundary force method is used to simulate the wave and arc plate. The interaction between the breakwater is compared with the traditional method of calculating the stress of the arc plate type breakwater. The virtual boundary force method is used to describe the interaction between the wave and the arc plate type breakwater, and the boundary conditions are not needed on the surface of the arc plate type breakwater, and the efficiency of the numerical calculation can be greatly raised.

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法
：本专利技术涉及防波堤工程
，具体地讲是一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法；该专利技术可用于大型海洋平台、半圆型防波堤等海洋工程不规则结构物的研究。
技术介绍
：弧板式防波堤作为一种新型防波堤结构型式，既可以通过锚链固定成为浮式防波堤，又可以通过桩基支撑形成透空式防波堤。与传统的消波防浪结构相比，弧板式防波堤具有诸多优点，它能通过破坏水质点的运动轨迹有效消散波能，同时兼具对地基要求低、结构简单、施工方便、生态环保、节约材料和利于港区内外水体自由交换等优点，符合新世纪“可持续发展的绿色生态港口”的基本要求。由于弧板式防波堤的消浪性能对于海洋工程设施的整体稳定性和结构安全性至关重要，提出一种计算波浪与弧板式防波堤相互作用的方法具有重要的工程应用价值。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(Liuetal.,2009；Ningetal.,2014；Zhouetal.,2015；王双强等,2016)开展。此方法没有考虑流体的有旋性、漩涡的扩散性和能量的耗散性，是一种概化的无粘、无旋的理想流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：a根据所建立的数值水槽尺寸和弧板式防波堤结构所在的位置，采用笛卡尔坐标系统生成计算区域的网格；沿水槽水平和垂直方向均匀划分网格，水深方向的网格总长度大于水深与最大波高之和，且留有一定数量的空网格，以确保波动水面不受上边界限制；b初始化计算区域的数值参数，计算区域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方程组模拟考虑流体粘性的波浪运动，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...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：a根据所建立的数值水槽尺寸和弧板式防波堤结构所在的位置，采用笛卡尔坐标系统生成计算区域的网格；沿水槽水平和垂直方向均匀划分网格，水深方向的网格总长度大于水深与最大波高之和，且留有一定数量的空网格，以确保波动水面不受上边界限制；b初始化计算区域的数值参数，计算区域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方程组模拟考虑流体粘性的波浪运动，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同位网格；e设置计算区域的造波边界条件、开边界条件、数值水槽上下边界条件；f根据速度、压强初始值，求出新时刻流场近似解，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；g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；h利用虚拟边界力法模拟波浪与弧板式防波堤之间的相互作用；i判断计算过程是否满足数值稳定条件和收敛条件，若满足，则输出压力场和速度场结果；j重复上述e至i步骤所述过程，直至计算时间达到程序所设定的总时间。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，其特征在于，所述的雷诺时均N-S方程组包括增加虚拟边界力项的水平方向时均动量方程1、竖直方向时均动量方程2和连续方程3；所述的湍流模型为K-ε模型，由K方程4和ε方程5组成；其中，u为x方向的速度分量，v为y方向的速度分量，t为计算时间，gx为水平方向重力加速度，取值为零，gy为垂直方向的重力加速度，取值为9.81N/kg，p为流体压力，ρ为流体密度，ν为流体运动粘滞系数，是紊动粘性系数，k为紊动动能，ε紊动耗散率；fxvbf和fyvbf分别为虚拟边界力在x和y方向的分量，θ为部分单元体参数，即结构物在整个网格单元中所占的面积与网格单元总面积的比值，范围在0～1之间；其它参数Cu＝0.09，Cε1＝1.43，σk＝1.0，σε＝0.1643，Cε2＝1.92。3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，其特征在于，所述的同位网格是所有参变量均定义在网格单元的中心点，包括压力pi,j、流体体积函数Fi,j、紊动动能Ki,j、紊动耗散率εi,j、水平方向速度ui,j、竖直方向速度vi,j。4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，其特征在于，所述的利用有限差分法对控制方程进行离散，水平方向时均动量方程的差分格式详见方程6：其中，δt为时间步长，FUX代表水平方向对流项，FUY代表竖直方向对流项，VISX和TUBX分别代表运动粘性项和紊动粘性项，fxvbf为x方向的虚拟边界力项；水平方向对流项边界网格点采用一阶迎风格式和二阶中心格式线性组合的偏心差分格式，见方程7和方程8：其中α是控制迎风差分量的参数，当α取值为零时，上述差分方程式为二阶中心差分；当α取值为1时，上述差分方程退化成一阶迎风格式；式中sign是符号函数的记号：其中，水平方向对流项内部网格点采用三阶迎风差分格式；当网格右侧边界中心点的水平速度大于零时，对流项差分格式详见方程9：当网格右侧边界中心点的水平速度小于零时，对流项差分格式详见方程10：其中，当网格右侧边界中心点的竖直速度v*＞0时，具体计算式见方程11；当网格右侧边界中心点的竖直速度v*＜0时，具体计算式见方程12；网格右侧边界中心点的竖直速度v*，可由相邻网格单元上下边界中心点的竖直速度取平均值获得；具体计算式见方程13；

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪艳，张振华，姜睿，李波，戚瀚文，张笑敏，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37