基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法技术

本公开提出了基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力结果分析。相比于物理模型，本发明专利技术的优点是：数值仿真模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸，以及波浪的参数，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大的灵活性和可行性。

【技术实现步骤摘要】
基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法
本公开涉及仿真建模
，特别是涉及基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法及分析系统。
技术介绍
传统的关于波浪-建筑物相互作用的研究，无论是波浪正入射的情况，还是斜波入射的情况即波浪与建筑物之间有一个相对姿态角度，都是为了沿海建筑物如海上平台或者防波堤等等海上静止建筑物的安全性设计研究，而且建筑物不可移动的特性使得此类研究只能考虑波浪与建筑物呈现一种类型的夹角的情况，即认为波浪是正入射，而建筑物绕着单个轴旋转这一种情况。但是在实际的海上起重机起重负载的过程中，起重机很容易控制负载的姿态，即负载单独绕着不同的轴旋转，或者同时绕着多个轴旋转，这些情况是传统的波浪-建筑物(负载)的相互作用研究没有关注过且没有解决的问题。
技术实现思路
本说明书实施方式的目的是提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，数值仿真模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸，以及波浪的参数，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大的灵活性和可行性。本说明书实施方式提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，通过以下技术方案实现：包括：首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力结果分析。建立数值波浪水池步骤：设置数值水池的大小及网格尺寸；利用三维海浪生成器，设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布、利用消波技术避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪；设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。进一步的技术方案，在建立模型之前首先基于OpenFOAM建立全局坐标系及负载坐标系，负载的三个姿态角就是负载坐标系和全局坐标系之间的方位关系，分别对应于负载的首摇、纵摇和横摇的角度。进一步的技术方案，(Og-XgYgZg)定义为全局坐标系，其中Og为负载质心，OgXg为波浪正向传播的方向，也是数值波浪水池长度边所在的方向，OgYg为水平面上数值波浪水池的宽度边所在的方向，OgZg符合右手定则垂直向上；(Ob-XbYbZb)定义为负载坐标系，其中Ob为负载质心，ObXb为负载的长度边所在的方向，ObYb为负载的宽度边所在的方向，ObZb为符合右手定则负载的高度所指的方向。进一步的技术方案，设置数值水池的大小及网格尺寸时，在数值波浪水池的基础上采用OpenFOAM自带的网格生成工具blockMesh产生网格，blockMesh是一个分块生成网格的程序，将整个计算域视为一个大块，网格密度在x、y、z方向相等。进一步的技术方案，计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布时，利用Stokes一阶线性波浪理论，计算t时刻数值水池中任意一点(x,y,z)处的在OgXg、OgZg方向上的波浪速度。进一步的技术方案，自由面由一个相分数αwater表示，当相分数为1时表示当前的网格单元充满了水，为0时表明当前的网格单元充满了空气，介于0和1之间即为水和空气的交界面；数值水池的顶端为了防止回流现象，速度、压力和相分数需要设置为特定的边界类型；速度在波浪入口处，其速度、压力和相分数需要设置为指定类型，其余部分速度均设置为固定值为零，压力和相分数全部设置为零梯度值。进一步的技术方案，设置负载的大小和形状时，对于简单形状的负载，直接选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载,对于形状复杂的负载，先使用第三方的CAD制图软件画出形状之后，然后导入到OpenFOAM之中，然后通过另外一个程序snappyHexMesh，在产生的背景网格中将此形状生成。进一步的技术方案，使用求解器的求解过程：首先将描述流体运动的质量守恒方程和动量守恒方程通过在整个计算空间域和时间域上积分的方式离散成一系列的代数方程，如此每一个微小的网格单元都有方程来描述，然后通过联立迭代求解这些方程，得到每一个方程的近似解，然后就得到了每一个微小单元的物理参数，然后就得到了整个波浪池的物理参数，然后更新参数并进行下一次迭代直至迭代完成。本说明书实施方式提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互作用的数值仿真模型建立系统，通过以下技术方案实现：包括：数值水池及网格生成模块，用于设置数值水池的大小及网格尺寸；波浪生成模块，用于设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布、利用消波技术避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪；初始条件设置模块，用于设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；负载生成模块，用于设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；求解器求解模块，使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。与现有技术相比，本公开的有益效果是：本公开数值仿真模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸，以及波浪的参数，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大的灵活性和可行性。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为本公开实施例子的负载的姿态描述图；图2为本公开实施例子的长方体形状的负载随首摇角度的受力情况分析示意图；图3为本公开实施例子的长方体形状的负载随纵摇角度的受力情况分析示意图；图4为本公开实施例子的长方体形状的负载随横摇角度的受力情况分析示意图；图5、图6及图7分别为本公开实施例子的长方体形状的负载随同时横摇和首摇角度的受力情况分析示意图；图8为本公开实施例子的长方体的负载的长度改变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，包括：首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力结果分析。建立数值波浪水池步骤：设置数值水池的大小及网格尺寸；利用三维海浪生成器，设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布、利用消波避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪；设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。...

【技术特征摘要】
1.基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，包括：首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力结果分析。建立数值波浪水池步骤：设置数值水池的大小及网格尺寸；利用三维海浪生成器，设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布、利用消波避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪；设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。2.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，在建立模型之前首先基于OpenFOAM建立全局坐标系及负载坐标系，负载的三个姿态角就是负载坐标系和全局坐标系之间的方位关系，分别对应于负载的首摇、纵摇和横摇的角度。3.如权利要求2所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，(Og-XgYgZg)定义为全局坐标系，其中Og为负载质心，OgXg为波浪正向传播的方向，也是数值波浪水池长度边所在的方向，OgYg为水平面上数值波浪水池的宽度边所在的方向，OgZg符合右手定则垂直向上；(Ob-XbYbZb)定义为负载坐标系，其中Ob为负载质心，ObXb为负载的长度边所在的方向，ObYb为负载的宽度边所在的方向，ObZb为符合右手定则负载的高度所指的方向。4.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，设置数值水池的大小及网格尺寸时，在数值波浪水池的基础上采用OpenFOAM自带的网格生成工具blockMesh产生网格，blockMesh是一个分块生成网格的程序，将整个计算域视为一个大块，网格密度在x、y、z方向相等。5.如权利要求3所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布时，利用Stokes一阶线性波浪理论，计算t时刻数值水池中任意一点(x,y,z)处的在OgXg、OgZg方向上的波浪速度。6.如权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马昕，阎明伟，宋锐，荣学文，李贻斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37