一种考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法及装置，属于水动力分析技术领域。将开孔板所在流域分为3个区域，在区域2中，斜向入射波的速度势以及速度势法向导数满足奇异边界积分方程和超奇异边界积分方程，将区域2的边界离散为N个单元，通过离散化的边界积分方程，建立代数方程组，结合相应的边界条件，求解所述代数方程组，得到离散后各个单元的速度势以及速度势外法线导数，并进一步求解得到带开孔板海洋结构物的反射系数、透射系数和波浪力。本发明专利技术能够快速、合理分析斜向波作用下带开孔板结构物的水动力特性，为实际工程设计提供重要参考。为实际工程设计提供重要参考。为实际工程设计提供重要参考。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法及装置


[0001]本专利技术属于水动力分析
，具体涉及一种考虑波浪入射角度的(考虑波浪入射角度的)带开孔板海洋结构物水动力分析方法及装置。

技术介绍

[0002]开孔薄板结构能够有效的耗散波浪能量，并且可以很好的降低结构受力，因此带开孔薄板的海洋结构物已经在实际工程中得到大量应用。在实际工程中，入射波往往为非正向入射，能够准确评估斜向波入射情况下，带开孔薄板结构的消浪效果和波浪力，对于海洋结构物的安全与功能设计具有重要意义。目前的理论解析手段对于海洋结构物的形状有着严格的要求，而时域计算流体力学模拟方法难以有效满足工程上快速分析带开孔板复杂结构物的水动力特性的需求，亟需一种能够快速、合理分析考虑波浪入射角度的带开孔板结构物水动力特性的方法。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法及装置，快速、合理分析考虑波浪入射角度的带开孔板结构物水动力特性。
[0004]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0005]一种考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法，具体为：
[0006]在开孔板前侧x＝
‑
l和后侧x＝l处，分别引入两条虚拟边界AB和CD，将整个流域分为：区域1，虚拟边界AB左侧的外场；区域2，开孔板所处水域；区域3，虚拟边界CD右侧的外场；
[0007]在区域2中，斜向入射波的速度势以及速度势法向导数满足以下奇异边界积分方程和超奇异边界积分方程：
[0008][0009][0010]式中，P(ξ,η)表示源点，Q(x,z)表示场点，n
P
和n
Q
表示源点P和场点Q所在位置的边界外法线方向矢量，φ[P(ξ,η)]和φ[Q(x,z)]分别表示在源点和场点处的流体速度势，α(P)为固角系数，Γ表示计算区域2的所有边界，U(Q,P)是修正的亥姆霍兹方程的基本解，T(Q,P)、L(Q,P)和M(Q,P)均为与基本解有关的函数，α(P)为固角系数；
[0011]将区域2的边界离散为N个单元，当源点位于开孔板右侧边界Γ
+
上时，应用超奇异积分方程，源点位于开孔板左侧边界Γ
‑
以及其他边界时则应用奇异积分方程；通过离散
化的边界积分方程，可以建立如下代数方程组：
[0012][0013]式中，φ
(m)
和分别表示在第m个单元上中点的速度势和速度势外法线方向导数，a
mn
、b
mn
和为方程系数；
[0014]结合相应的边界条件，求解所述代数方程组，得到离散后各个单元的速度势以及速度势外法线导数，并进一步求解得到带开孔板海洋结构物的反射系数C
R
和透射系数C
T
：
[0015][0016][0017]其中，i表示复数单位，g表示重力加速度；ω和H分别表示斜向入射波的圆频率和波高；h表示计算区域水深，k0表示入射波波数，且满足色散关系ω2＝gk
0 tanh(k0h)；N1和N2分别表示在边界AB上的第一个单元和最后一个单元；N3和N4分别表示在边界CD上的第一个单元和最后一个单元；和分别表示第m个单元的起始点和终点。
[0018]进一步的技术方案，每个区域的空间复速度势φ(x,z)均满足修正的亥姆霍兹方程：
[0019][0020]其中，k
0y
＝k0sinθ为入射波波数在y方向的分量，θ为入射波与x轴正方向的夹角；
[0021]修正的亥姆霍兹方程的基本解式中，为源点P(ξ,η)和场点Q(x,z)之间的距离，K0为第二类修正的贝塞尔系数，与基本解有关的函数有：和n
P
和n
Q
表示源点P和场点Q所在位置的边界外法线方向矢量。
[0022]进一步的技术方案，区域1和区域3中复速度势φ(x,z)表达式为：
[0023][0024][0025]其中，k
0x
＝k
0 cosθ为入射波波数k0在x方向的分量；为非传播模态波数k
p
在x方向的分量，且ω2＝
‑
gk
p tan(k
p
h)，p＝1，2，3，
…
；；为垂向特征函数，R0、T0、R
p
和T
p
均为速度势表达式中的待定系数。
[0026]进一步的技术方案，每个区域的空间复速度势φ(x,z)均满足需满足以下边界条件：
[0027](1)线性化的自由表面条件
[0028][0029](2)水底的不可渗透边界条件
[0030][0031]其中，n表示边界处的外法线方向的矢量；
[0032](3)左右两侧远场条件
[0033][0034]其中，φ
I
表示入射波的速度势，k
0x
为入射波波数在x方向的分量；
[0035](4)在开孔板处，速度势需满足速度连续边界条件
[0036][0037]其中，φ
‑
和φ
‑
分别表示开孔边界左、右两侧的速度势，n
‑
和n
+
分别表示开孔边界左、右两侧的外法线方向矢量；
[0038](5)在开孔板处，速度势满足非线性压力损失边界条件
[0039][0040]其中，ε表示开孔板的开孔率，μ表示射流系数，C为开孔板的阻塞系数。
[0041]进一步的技术方案，对区域2的边界离散，所建立的边界速度势与速度势法向导数的关系如下：
[0042](1)对于自由水面边界条件
[0043][0044](2)水底条件
[0045][0046](3)在左侧虚拟边界上
[0047][0048]其中，且为非传播模态波数k
m
在x方向的分量，且ω2＝
‑
gk
m tan(k
m
h)；为垂向特征函数；和分别表示第n个单元的起始点和终点，表示第m个单元的中点，m＝1，2，3，
…
；
[0049](4)在右侧虚拟边界上
[0050][0051](5)在开孔板处
[0052][0053][0054]式中，ε表示开孔板的开孔率，μ表示射流系数，C为开孔板的阻塞系数；和分别表示当源点在开孔板上时，第m个单元上开孔边界左、右两侧的速度势。
[0055]进一步的技术方案，所述固角系数α(P)在源点位于不同边界时的取值为：
[0056][0057]α(P)＝1，P∈Γ
‑
∪Γ
+
。
[0058]进一步的技术方案，所述方程系数a
mn
、b
mn
和满足以下关系：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法，其特征在于：在开孔板前侧x＝
‑
l和后侧x＝l处，分别引入两条虚拟边界AB和CD，将整个流域分为：区域1，虚拟边界AB左侧的外场；区域2，开孔板所处水域；区域3，虚拟边界CD右侧的外场；在区域2中，斜向入射波的速度势以及速度势法向导数满足以下奇异边界积分方程和超奇异边界积分方程：超奇异边界积分方程：式中，P(ξ,η)表示源点，Q(x,z)表示场点，n
P
和n
Q
表示源点P和场点Q所在位置的边界外法线方向矢量，φ[P(ξ,η)]和φ[Q(x,z)]分别表示在源点和场点处的流体速度势，α(P)为固角系数，Γ表示计算区域2的所有边界，U(Q,P)是修正的亥姆霍兹方程的基本解，T(Q,P)、L(Q,P)和M(Q,P)均为与基本解有关的函数，α(P)为固角系数；将区域2的边界离散为N个单元，当源点位于开孔板右侧边界Γ
+
上时，应用超奇异积分方程，源点位于开孔板左侧边界Γ
‑
以及其他边界时则应用奇异积分方程；通过离散化的边界积分方程，可以建立如下代数方程组：式中，φ
(m)
和分别表示在第m个单元上中点的速度势和速度势外法线方向导数，a
mn
、b
mn
和为方程系数；结合相应的边界条件，求解所述代数方程组，得到离散后各个单元的速度势以及速度势外法线导数，并进一步求解得到带开孔板海洋结构物的反射系数C
R
和透射系数C
T
：：其中，i表示复数单位，g表示重力加速度；ω和H分别表示斜向入射波的圆频率和波高；h表示计算区域水深，k0表示入射波波数，且满足色散关系ω2＝gk0tanh(k0h)；N1和N2分别表示在边界AB上的第一个单元和最后一个单元；N3和N4分别表示在边界CD上的第一个单元和最后一个单元；和分别表示第m个单元的起始点和
终点。2.根据权利要求1所述的考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法，其特征在于，每个区域的空间复速度势φ(x,z)均满足修正的亥姆霍兹方程：其中，k
0y
＝k0sinθ为入射波波数在y方向的分量，θ为入射波与x轴正方向的夹角；修正的亥姆霍兹方程的基本解式中，为源点P(ξ,η)和场点Q(x,z)之间的距离，K0为第二类修正的贝塞尔系数，与基本解有关的函数有：和n
P
和n
Q
表示源点P和场点Q所在位置的边界外法线方向矢量。3.根据权利要求1所述的考虑波浪入射角度的带开孔板海洋结构物水动力分析方法，其特征在于，区域1和区域3中复速度势φ(x,z)表达式为：其特征在于，区域1和区域3中复速度势φ(x,z)表达式为：其中，k
0x
＝k0cosθ为入射波波数k0在x方向的分量；为非传播模态波数k
p
在x方向的分量，且ω2＝
‑
gk
p
tan(k
p
h)，p＝1，2，3，
…
；；为垂向特征函数，R0、T0、R
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洋，刘勇，李华军，何舒玥，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：