一种确认地形变化对窄缝共振影响的方法技术

本发明专利技术属于海洋工程领域，具体涉及一种确认地形变化对窄缝共振影响的方法。具体技术方案包括如下步骤：建立数值波浪水槽，数值波浪水槽中设置一个方箱以模拟船舶，以1个所述数值波浪水槽作为一个结构单元；在数值波浪水槽的边界处形成入射波；建立水和空气的质量守恒和动量守恒控制方程；采用标量场α表示结构单元中水的体积分数；计算α的分布情况；对时间导数进行离散化；通过所述方箱表面各时间步长的压力和剪切应力来获得方箱上的波荷载。本发明专利技术利用二维数值波浪水槽，提供了一种综合考虑地形变化对窄缝共振影响的研究方法。可以研究港口地形、码头前水深等对窄缝共振的影响，对进一步研究窄缝共振的规律提供依据。

A method to confirm the influence of terrain change on slit resonance

【技术实现步骤摘要】
一种确认地形变化对窄缝共振影响的方法
本专利技术属于海洋工程领域，具体涉及一种确认地形变化对窄缝共振影响的方法。
技术介绍
近年来，随着海洋工程的不断推进，海洋漂浮结构物的应用日益广泛。当这些漂浮结构物并排/相邻布置时，从尺度而言，漂浮结构物间的间隙相对于结构物本身可成为微小窄缝。在某些波频条件下，结构间狭窄的微小缝隙内会发生剧烈的流体振荡，产生窄缝共振(gapresonance)。这类振荡不仅对结构物的局部受力产生巨大影响，对结构物整体的性能也会产生很大的影响；严重影响结构物上的装卸效率，甚至威胁工程作业的安全。因此，对窄缝共振的研究引起了越来越广泛的关注。现有的窄缝共振研究主要基于经典线性势流理论进行的。但这类研究往往会明显高估了共振波在窄缝内的高度，从而高估了结构物的波荷载。为了解决这一问题，研究者们采用了一些特殊的数值处理方法，但现有的处理方法总是存在未知的耗散系数(dissipativecoefficient)，必须进一步通过实验数据对其进行校准。另外，现有关于窄缝共振的研究都主要集中于多个固定/漂浮结构物间的流体共振，对大型船舶与码头间的窄缝共振研究甚少。而关于船舶与码头间的窄缝共振的研究中，也都将海床设置为平坦的结构。事实上，港口的地形往往是不平坦的，码头前的水深也有随着地形的不同而有明显变化，这些因素都会对窄缝共振造成影响。而现有的研究方法未能考虑到上述因素。综上，提供一种综合考虑地形变化对窄缝共振影响的研究方法具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种确认地形变化对波载荷影响的研究方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种确认地形变化对波载荷影响的研究方法，包括如下步骤：(1)建立数值波浪水槽，所述数值波浪水槽中设置一个方箱以模拟船舶，以1个所述数值波浪水槽作为一个结构单元；在所述数值波浪水槽的边界处形成入射波；(2)建立水和空气的质量守恒和动量守恒控制方程；(3)采用标量场α表示计算单元中水的体积分数，为1时是水，为0时是空气，1和0的中间值是空气与水的混合物；在步骤(1)的基础上，计算α的分布情况；(4)对时间导数进行离散化；(5)通过所述方箱表面各时间步长的压力和剪切应力来获得方箱上的波荷载。优选的，步骤(1)中，将入射波进口边界处的速度指定为规则波的速度，并将边界处的压力梯度设置为0。优选的，所述进口边界附近设置一个松弛区。优选的，所述数值波浪水槽上部的边界条件设置为“空气”；在所述数值波浪水槽的右侧、底边及箱体的壁面，采用“无滑移”边界条件。优选的，步骤(2)所述的质量守恒和动量守恒控制方程如下：其中，代表梯度算子；u＝(u,v,w)，代表流体运动速度矢量；x＝(x,y,z)，代表笛卡尔坐标向量；t代表时间；ρ表示流体密度；p表示流体动压强；g表示重力加速度；μ表示流体动力粘度；σt表示表面张力系数，kα表示表面曲率。优选的，步骤(3)所述计算α的分布情况的公式为：其中，ur＝uwater-uair指空气与水之间的相对速度。优选的，步骤(4)对时间导数进行离散化的方法如下：采用高斯积分法对梯度条件进行估算，在控制体积VP中考虑φ的积分变换：其中，VP表示单元的体积；所述高斯积分法基于从所述结构单元中心至结构单元表面的线性插值进行，散度项由高斯对流的特定格式计算。优选的，步骤(5)所述获得方箱上的波荷载的方法包括如下步骤：1)将方箱置于一面垂直的墙前，将方箱下方设置为倾斜的坡面；2)在入射波的进口边界处产生不同频率和入射波高度的规则波；3)采用Open内置的网格生成工具，将图1的数值波浪水槽进行离散化；4)调整入射波高度，计算获得方箱上的波荷载。优选的，步骤3)所述将图1的数值波浪水槽进行离散化的方法包括如下步骤：生成六面体结构化网格，作为背景网格；从水底到静止的水面，设置结构单元垂直方向的尺寸逐渐减小；在方箱周围，增加水平方向单元数量；从生成的背景网格中移除地形所占据位置的网格，形成方箱与地形的边界。优选的，将每个所述网格的最大库郎数设置为0.25，库郎数定义如下：其中，δt为时间步，|U|为网格内的速度模量，δx为速度方向的网格长度；如果某些结构单元的库郎数超过0.25，则对应的时间步长自动减小至满足库郎数小于0.25。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用二维数值波浪水槽，提供了一种综合考虑地形变化对窄缝共振影响的研究方法；可以研究港口地形、码头前水深等对窄缝共振的影响，对进一步研究窄缝共振的规律提供依据；为根据港口地形针对性设计海洋漂浮结构物提供依据。附图说明图1为数值波浪水槽三维结构示意图；图2为数值波浪水槽二维结构示意图；图3为倾斜坡面上的仿真网格示意图；图4为方箱周围的仿真网格示意图；图5为H0＝0.005m、S＝0、kh＝1.350时，最大水平波浪力和对应的垂直波浪力、波浪力矩与网格分辨率的关系示意图；图6为H0＝0.005m、S＝0.113、kh＝0.840时，最大水平波浪力和对应的垂直波浪力及力矩关系示意图；图7为现有技术物理模拟模型中波浪测量仪设置方式示意图；图8为现有技术物理模拟模型中力传感器设置方式示意图；图9为现有技术物理模拟模型中压力探头放置位置示意图；图10为现有技术物理模拟模型中，两种不同入射波下，不同时间历程下各所述波浪测量仪测得的自由表面高度数据示意图；图11为现有技术物理模拟模型中，入射波2下不同时间历程下各所述压力探头测得的波浪力数据示意图；图12为现有技术物理模拟模型中，两种不同入射波下，不同时间历程下船侧受到的波浪力数据；图13为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.005m时水平波浪力与地形间的关系示意图；图14为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.024m时水平波浪力与地形间的关系示意图；图15为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.050m时水平波浪力与地形间的关系示意图；图16为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.075m时水平波浪力与地形间的关系示意图；图17为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.100m时水平波浪力与地形间的关系示意图；图18为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.005m、0.024m、0.050m、0.075m和0.100m时，水平波浪力与地形间的关系示意图；图19为使用本专利技术的方法，使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.005m、0.024m、0.050m、0.075m和0.100m时，最大水平波浪力与坡度间的关系示意图；图20为使用本专利技术的方法，入射波高度H0＝0.005m时垂直波浪力与地形间的关系示意图；图21为使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确认地形变化对波载荷影响的研究方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)建立数值波浪水槽，所述数值波浪水槽中设置一个方箱以模拟船舶，以1个所述数值波浪水槽作为一个结构单元；在所述数值波浪水槽的边界处形成入射波；/n(2)建立水和空气的质量守恒和动量守恒控制方程；/n(3)采用标量场α表示结构单元中水的体积分数，为1时是水，为0时是空气，1和0的中间值是空气与水的混合物；在步骤(1)的基础上，计算α的分布情况；/n(4)对时间导数进行离散化；/n(5)通过所述方箱表面各时间步长的压力和剪切应力来获得方箱上的波荷载。/n

【技术特征摘要】
1.一种确认地形变化对波载荷影响的研究方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)建立数值波浪水槽，所述数值波浪水槽中设置一个方箱以模拟船舶，以1个所述数值波浪水槽作为一个结构单元；在所述数值波浪水槽的边界处形成入射波；
(2)建立水和空气的质量守恒和动量守恒控制方程；
(3)采用标量场α表示结构单元中水的体积分数，为1时是水，为0时是空气，1和0的中间值是空气与水的混合物；在步骤(1)的基础上，计算α的分布情况；
(4)对时间导数进行离散化；
(5)通过所述方箱表面各时间步长的压力和剪切应力来获得方箱上的波荷载。


2.根据权利要求1所述确认地形变化对波载荷影响的研究方法，其特征在于：步骤(1)中，将入射波进口边界处的速度指定为规则波的速度，并将边界处的压力梯度设置为0。


3.根据权利要求2所述确认地形变化对波载荷影响的研究方法，其特征在于：所述进口边界附近设置一个松弛区。


4.根据权利要求3所述确认地形变化对波载荷影响的研究方法，其特征在于：所述数值波浪水槽上部的边界条件设置为“空气”；在所述数值波浪水槽的右侧、底边及箱体的壁面，采用“无滑移”边界条件。


5.根据权利要求1所述确认地形变化对波载荷影响的研究方法，其特征在于：步骤(2)所述的质量守恒和动量守恒控制方程如下：






其中，代表梯度算子；u＝(u,v,w)，代表流体运动速度矢量；x＝(x,y,z)，代表笛卡尔坐标向量；t代表时间；ρ表示流体密度；p表示流体动压强；g表示重力加速度；μ表示流体动力粘度；σt表示表面张力系数，kα表示表面曲率。


6.根据权利要求5所述确认地形变化对波载荷影响的系统，其特征在于：步骤(3)所述计算α...

【专利技术属性】
技术研发人员：高俊亮，马小舟，洪智超，朱亚洲，何志伟，王岗，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32