一种弧板式防波堤结构受力的计算方法技术

本发明专利技术提供一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，该方法利用PLIC‑VOF方法追踪流体自由表面，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，本发明专利技术利用PLIC‑VOF方法追踪流体自由表面，能更加精确地刻画流体自由表面的位置；所采用的虚拟边界力法无需在弧板式防波堤表面布置物面边界条件，能够显著提高数值计算效率。 1

A method for calculating the stress of an arc slab breakwater

The invention provides a calculation method for the structural stress of the arc plate type breakwater. This method uses the PLIC VOF method to track the free surface of the fluid, and uses the virtual boundary force method to simulate the interaction between the wave and the arc plate type breakwater. Compared with the traditional method of calculating the force of the arc plate type breakwater, the invention uses the PLIC VOF method. The free surface of the fluid can be traced to describe the position of the free surface of the fluid more accurately, and the virtual boundary force method is not necessary to arrange the surface boundary conditions on the surface of the arc plate type breakwater, and the efficiency of numerical calculation can be greatly improved. One

【技术实现步骤摘要】
一种弧板式防波堤结构受力的计算方法
：本专利技术涉及防波堤工程
，具体地讲是一种弧板式防波堤结构受力的计算方法；该专利技术可扩展应用于海上飞机场、大型海洋平台、半圆型防波堤和弧形防浪墙等海洋海岸工程不规则结构物的研究。
技术介绍
：防波堤是港口海岸工程中较为常见的一种防御波浪、泥沙和冰凌入侵，保证港域内水面平稳便于船舶安全停泊的水工结构物。传统的斜坡堤和直立堤存在造价高、施工复杂的缺点，一旦发生破坏，修复极其困难且后果较为严重。根据波浪理论，波浪能量的98％集中在水体表层3倍波高范围内。为适应波能分布特点，出现了各种特殊型式防波堤，其中透空式防波堤具有建造周期短、地基适应能力强、利于水体交换等优点，引起众多专家学者的关注。弧板式防波堤作为一种新型透空式防波堤结构型式，经试验验证(Wangetal.,2016)消浪效果优良。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、无旋的理想流体，与实际流体运动存在较大差别，其应用受到一定限制。另有学者采用贴体网格法(Liu,etal.,2009；Li,etal.,2011；李雪艳等,2013)开展。此方法中贴体网格生成方法较为复杂，且需对流体控制方程进行曲线坐标变换，影响模型的计算效率。此外，基于上述计算方法的流体自由面，多采用传统的VOF方法来追踪，计算的自由面位置与实际液面存在一定的差距。专利技术内容：本专利技术的目的是克服已有计算方法的不足，提供一种弧板式防波堤结构受力的计算方法；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。本专利技术的技术方案是：一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：a生成计算区域的矩形网格，对流场赋初始值；b利用K-ε湍流模型封闭雷诺时均N-S方程组，作为本专利技术计算方法的控制方程；c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；d利用有限差分法离散控制方程，基于同位网格布置变量信息；e根据速度、压强初始值，求出新时刻流场近似解，通过PISO算法一次预测、两次修正迭代调整压力，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；f利用PLIC-VOF方法追踪流体自由表面，根据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；g采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；h判断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；i重复上述c至h步骤所述过程，直至计算时间达到程序所设定的总时间。进一步的，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K-ε湍流模型由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。进一步的，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；参变量包括压力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ui,j、竖直方向速度vi,j，用下标(i，j)表示；与为网格单元右侧边界与上边界可通过流体部分的面积系数；VCi,j是网格单元的体积系数。进一步的，所述的数值水槽上下边界条件均设为自由可滑移边界条件；上边界条件设置详见方程6，下边界条件设置详见方程7；进一步的，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8：其中，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二阶中心差分格式(方程9和方程10)；其中，运动粘性项采用二阶中心差分格式，具体表达式详见方程11：紊动粘性项，采用二阶中心差分格式，具体表达式详见方程12：竖直方向时均动量方程的差分格式详见方程13：方程中FVX，FVY，VISY，TUBY可同理写出。进一步的，所述的利用有限差分法对控制方程进行离散，K方程和ε方程采用隐式线性化处理，以保证紊动动能K和紊动耗散率ε恒为正值；隐式线性化处理后的K方程表达式详见方程14：K方程中的水平方向对流项的离散格式见方程15：其中，同理可写出FKYi,j；运动粘性项和紊动粘性项见方程16和17；隐式线性化处理后的ε方程表达式详见方程18：其中，水平与垂直方向对流项，运动粘性项和紊动粘性项见方程19；进一步的，所述的利用有限差分法对控制方程进行离散，连续方程采用中心差分格式，具体离散形式详见方程20：其中，AR与AT为网格单元右侧边界与上边界可通过流体部分的面积系数；AC是网格单元的体积系数；上述连续方程的离散形式只能作为流场是否收敛的判定条件；计算过程中，为满足连续方程20，需同时对速度和压力进行调整，反复迭代。进一步的，所述的PISO算法包括一个预测步和两个修正步；首先通过假定的初始压强P0，隐式求解动量方程得到速度预测值u*，然后利用速度预测值u*求解连续方程得压强值P*，再利用压强值P*求解动量方程，显式求解得到速度的第二个预测值u**，重复以上步骤，直至最终的速度预测值代入连续方程后的右端源项不大于0.001为止；求解迭代过程中，流体单元采用的显式求解速度的修正方程如下：进一步的，所述的PLIC-VOF方法是通过定义一个流体体积函数F隐式追踪自由表面的变化；F的定义为网格内流体体积与网格总体积的比；在本专利技术中VOF函数时的流体特指海水，流体体积函数定义详见表1所示：表1流体体积函数定义F＝0空网格，即空气充满网格0<F<1部分网格，即海水体积所占网格总体积分数F＝1满网格，即海水充满网格应用施主与受主单元计算流体体积函数F值；控制方程如方程22所示：施主与受主单元根据其交界面上的速度方向来确定，上游单元为施主单元，用FD表示，下游单元为受主单元，用FA表示，FAD表示或是施主单元或是受主单元，由自由表面方向和流体流动方向综合确定。进一步的，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，具体是在时均动量方程1和方程2的右端项中添加一个附件力项来反映；根据水平方向时均动量方程6的表达式，推导出水平方向虚拟边界力的计算表达式如方程23所示：同理，推导出竖直方向虚拟边界力的表达式如方程24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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

【技术特征摘要】
1.一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：a生成计算区域的矩形网格，对流场赋初始值；b利用K-ε湍流模型封闭雷诺时均N-S方程组，作为本发明计算方法的控制方程；c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；d利用有限差分法离散控制方程，基于同位网格布置变量信息；e根据速度、压强初始值，求出新时刻流场近似解，通过PISO算法一次预测、两次修正迭代调整压力，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；f利用PLIC-VOF方法追踪流体自由表面，根据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；g采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；h判断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；i重复上述c至h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PLIC-VOF方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K-ε湍流模型由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所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，所述的同位网格是指所有参变量均定义在网格单元的中心点。参变量包括压力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ui,j、竖直方向速度vi,j，用下标(i，j)表示。与为网格单元右侧边界与上边界可通过流体部分的面积系数；VCi,j是网格单元的体积系数。4.根据权利要求1所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，所述的数值水槽上下边界条件均设为自由可滑移边界条件；上边界条件设置详见方程6，下边界条件设置详见方程7；5.根据权利要求1所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，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8：其中，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二阶中心差分格式见方程9和方程10；其中，运动粘性项采用二阶中心差分格式，具体表达式详见方程11：紊动粘性项，采用二阶中心差分格式，具体表达式详见方程12：竖直方向时均动量方程的差分格式详见方程13：方程中FVX，FVY，VISY，TUBY可同理写出。6.根据权利要求1所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，所述的利用有限差分法对控制方程进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪艳，张振华，孙家文，赵宏霞，董大利，谢松，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37