基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法技术

本公开提供了一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，以两相流、不可压缩的Navier‑Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型，基于上一时刻浮标对流场的反作用，修正流场，求解波浪场条件；基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程；利用两相流数学模型计算作用在浮标体上的波浪力和波浪力矩；求解浮标在波浪作用下的运动响应和锚泊系统受力，计算得到浮标的运动响应。相比于传统的非耦合或准静态的分析方法，能够在保证计算效率的同时提供更准确的水动力特性分析结果。

【技术实现步骤摘要】
基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法
本公开属于海洋工程领域，涉及一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。我国海洋面积辽阔，其中水深400m以上、海况恶劣的深海海域面积广，对这部分海域的监测和开发尚处于起步阶段。放置于该区域的浮标需要在风浪流等复杂恶劣的海洋环境条件下工作，其结构的水动力荷载和运动响应较复杂。监测浮标漂浮在水面，既有上、下振动，又有横向摇动。浮标在上、下振动时，浮标上的设备，特别是GPS天线，应始终暴露在水面之上，不能被水淹没，否则会造成信号丢失。因此，在设计时需对浮标的受力状态和运动响应进行分析。浮标的水动力特性直接影响其上所载仪器仪表设备的正常工作，对其可靠性和安全性有重要影响。对于锚泊式浮标，要求其在恶劣海况下不发生跑标或断链，锚泊系统的设计和强度校核对这类浮标具有重要意义。在对浮标进行结构设计时，需对浮标工作海域极限生存环境条件和极限工作环境条件下的水动力荷载和运动响应进行计算分析，并设计作为有效载荷搭载到浮标标体和系泊系统上；浮标主体结构设计完成后，还需要分析其水动力学性能，校核浮标设计的关键技术指标。各国浮标出现问题大半是由于设计前对极限生存环境条件估计不足，所设计浮标性能无法满足实际海况要求。一个深海浮标，其自身价值超过百万元，出海维护的费用也高达二十五万元/天。因此，在设计阶段对浮标的水动力荷载和运动响应进行精确地分析和校核，对确保浮标的工作性能和安全性能具有重要作用。r>大多数关于浮标的研究是在势流理论的假定下进行的，假定流体为无粘无旋的理想流体，并且采用半经验的Morison公式来计算波浪力。粘性流理论一般基于N-S方程，可以研究粘性作用导致的复杂流动特征，可以处理海洋结构物的大幅运动和波浪破碎等强非线性问题。粘性流理论在船舶领域的研究成果较多，许多学者就液舱晃荡、船舶耐波性及甲板上浪等问题开展了深入研究，在浮标体的水动力特性分析方面的应用较少。目前，较成熟的商业软件，如Star-CD、Phoenics、CFX、Fluent等可以进行浮体的水动力计算，但各商业软件均存在局限性。Phoenics网格粗糙，易用性差；CFX的计算精度较高，但计算速度慢，有时需要结合其它软件解决问题，对计算机配置和技术人员的要求较高。在算法上，多数模型基于贴体网格，原理较复杂，对于复杂的问题需要二次开发，工序复杂，计算周期较长。尤其在计算极限生存环境条件时，波浪破碎和浮标的剧烈运动等强非线性问题会导致计算的崩溃。为了维持计算，必须采用密集网格，计算效率大大降低，同时需要大型计算集群。在工程设计中，需要在保证精度的前提下具有较高的计算效率，此类算法在现阶段尚不具备推广使用的条件。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，本公开能够在传统的笛卡尔网格中实现运动求解的海洋浮标水动力特性的分析，相比于传统的非耦合或准静态的分析方法，能够在保证计算效率的同时提供更准确的水动力特性分析结果。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，包括以下步骤：以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型，基于上一时刻浮标对流场的反作用，修正流场，求解波浪场条件；基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程；利用两相流数学模型计算作用在浮标体上的波浪力和波浪力矩；求解浮标在波浪作用下的运动响应和锚泊系统受力，计算得到浮标的运动响应。作为进一步的限定，以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型的具体过程包括：步骤11，在牛顿流体范围内，采用Navier-Stokes方程描述水体和气体的运动，式中，ui(i＝1,2)为速度分量，σij为粘性力，σij＝-pδij+2μ(1-δij/3)Sij，fi表示重力；步骤12，在计算域内，采用多相流的描述方式，引入体积函数满足方程式中，表示目标流体在控制元中所占的比值，其中，Ωm表示被水体或空气占据的计算区域；步骤13，在笛卡尔交错网格系统采用有限差分的方法进行控制方程的求解，控制方程改写为如下形式，运用分步计算方法将计算过程分为两个：对流过程和非对流过程；步骤14，体积函数的求解，采用双曲正切函数格式求解；经过以上步骤的计算，得到波浪场的速度、压力和波面条件。作为进一步的限定，步骤13的具体步骤包含以下两个步骤：步骤131，分解出的对流过程的方程式如下：该方程采用紧致差分法求解；步骤132，分解出的非对流过程的方程式如下此两个方程分别采用中心差分格式和显式差分，隐式差分和超松弛迭代方法求解。作为进一步的限定，采用浸没边界法计算浮标体运动对流体产生的反作用力，修正流场。作为可选择的实施方式，基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程的具体过程包括：假定浮标体有两个张紧式系泊缆索约束，浮标体横断面表面上的流体瞬时力为Fiwx，Fiwz，其中i表示浮标体的某一个表面，其上的拉力分别为T1、T2。根据牛顿第二定律，有：∑Fx＝∑Fiwx+T1cosθ1+T2cosθ2＝max∑Fz＝∑Fiwz-mg+T1sinθ1+T2sinθ2＝maz∑Mc·Fx+∑Mc·Fz+∑Mc·T＝mαc式中，m为浮标体的质量，ax和az为浮标体重心在水平和垂直两方向上的加速度，αc为浮标体重心绕y轴的转动加速度，Mc·Fx、Mc·Fz、Mc·T分别为波浪水平力和垂直力以及缆索拉力对浮箱重心的力矩，θ1和θ2为两缆索与水平轴正向的夹角。作为可选择的实施方式，利用两相流数学模型计算作用在浮标体上的波浪力和波浪力矩的具体步骤为：步骤31，波浪作用在浮标体上的瞬时力Fiwx，Fiwz通过积分作用在浮标体表面上的流体作用力得到，采用以下公式，步骤32，波浪作用在浮标体上的瞬时力矩通过积分作用在表面上的流体作用力得到，采用以下公式，作为可选择的实施方式，求解浮标在波浪作用下的运动响应和锚泊系统受力的具体步骤为：步骤41，根据初始时刻浮标体位置和缆索张力，计算浮标体的加速度ax、az；步骤42，根据质点运动微分方程：采用中矩形公式法计算下一时刻浮标体重心的速度uc、vc和ωc，位移垂荡zc和纵荡xc以及转角αc；步骤43，浮标体边界采用浸没边界法表示，边界上的节点pk的位置坐标(xpk,zpk)采用如下公式计算：其中，上标0表示初始时刻的坐标位置；步骤44，根据求得的浮标体上系缆点的位置和海底锚泊点的位置，计算下一时刻两缆索与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：包括以下步骤：/n以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型，基于上一时刻浮标对流场的反作用，修正流场，求解波浪场条件；/n基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程；/n利用两相流数学模型计算作用在浮标体上的波浪力和波浪力矩；/n求解浮标在波浪作用下的运动响应和锚泊系统受力，计算得到浮标的运动响应。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：包括以下步骤：
以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型，基于上一时刻浮标对流场的反作用，修正流场，求解波浪场条件；
基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程；
利用两相流数学模型计算作用在浮标体上的波浪力和波浪力矩；
求解浮标在波浪作用下的运动响应和锚泊系统受力，计算得到浮标的运动响应。


2.如权利要求1所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型的具体过程包括：
步骤11，在牛顿流体范围内，采用Navier-Stokes方程描述水体和气体的运动，



式中，ui(i＝1,2)为速度分量，σij为粘性力，σij＝-pδij+2μ(1-δij/3)Sij，fi表示重力；
步骤12，在计算域内，采用多相流的描述方式，引入体积函数满足方程



式中，表示目标流体在控制元中所占的比值，其中，Ωm表示被水体或空气占据的计算区域；
步骤13，在笛卡尔交错网格系统采用有限差分的方法进行控制方程的求解，控制方程改写为如下形式，



运用分步计算方法将计算过程分为两个：对流过程和非对流过程；
步骤14，体积函数的求解，采用双曲正切函数格式求解；
经过以上步骤的计算，得到波浪场的速度、压力和波面条件。


3.如权利要求2所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：步骤13的具体步骤包含以下两个步骤：
步骤131，分解出的对流过程的方程式如下：



该方程采用紧致差分法求解；
步骤132，分解出的非对流过程的方程式如下

和
此两个方程分别采用中心差分格式和显式差分，隐式差分和超松弛迭代方法求解。


4.如权利要求1所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：采用浸没边界法计算浮标体运动对流体产生的反作用力，修正流场。


5.如权利要求1所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程的具体过程包括：
假定浮标体有两个张紧式系泊缆索约束，浮标体横断面表面上的流体瞬时力为Fiwx，Fiwz，其中i表示浮标体的某一个表面，其上的拉力分别为T1、T2。根据牛顿第二定律，有：
∑Fx＝∑Fiwx+T1cosθ1+T2cosθ2＝max
∑Fz＝∑Fiwz-mg+T1sinθ1+T2sinθ2＝maz
∑Mc·Fx+∑Mc·Fz+∑Mc·T＝mαc
式中，m为浮标体的质量，ax和az为浮标体重心在水平和垂直两方向上的加速度，αc为浮标体重心绕y轴的转动加速度，Mc·Fx、Mc·Fz、Mc·...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪巧玲，赵西增，刘庆凯，刘小慧，徐成浩，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37