一种非线性多方向波浪吸收方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种非线性多方向波浪吸收方法及系统，基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解，获得第一吸收边界方程，并利用帕德近似方法对波浪相速度与水波色散关系的方程进行近似处理，得到第二吸收边界方程；再构建波数与波动方程中速度势函数的第一关系式、速度势函数与数值水池中计算域边界处流体质点的速度的第二关系式，以及速度势函数与流体质点的压力的第三关系式，通过相应的公式转换及离散得到压力泊松方程，并采用ILU

【技术实现步骤摘要】
一种非线性多方向波浪吸收方法及系统


[0001]本专利技术涉及船舶与海洋工程水动力学
，具体涉及一种非线性多方向波浪吸收方法及系统。

技术介绍

[0002]适应绿色航运需求的清洁能源开发已成为新的趋势，这进一步推动了海洋装备(如浮式风机)在能源开采过程中的发展。由于深水环境中的可再生能源更加丰富，海洋装备通常在深水域中进行作业。此外，深水海域中风浪流环境更为恶劣，海洋装备作业过程或船舶航行中，极端海况会对工作人员安全以及结构物完整性造成严重威胁。因此，迫切需要开发能够精细化模拟恶劣海况下波流与海洋装备流固耦合作用的数值水池。
[0003]在数值波流水池中研究海洋装备的水动力性能，首先需要数值求解器能够长时间精确模拟波浪，包括波浪生成、传播及吸收等技术。真实海况下，海洋装备安装在开放水域中，结构物表面产生的反射波在开放域中不断衰减直至消失。而在数值水池中，由于人为引入计算域边界的限制，反射波在入口/出口边界处发生二次反射，进而扰乱计算域中流场计算的准确性和可靠性，因此，需要对反射波的二次反射进行消除。
[0004]现有的消波方法主要分为主动式消波方法和被动式消波方法，主动式消波方法是通过监测波浪的反馈信号来修正造波板的运动，进而消除波浪的二次反射。该类方法基于线性波理论，随着波浪非线性的增强，反射系数会增大。此外，还需要预估反射波信息，如波浪周期，其消波效果具有不确定性，需进行不确定性分析。被动式消波方法，如数值衰减域，要求计算域至少增加两倍波长，且主要对短波有效，对长波的消波作用有限。

技术实现思路

[0005]为解决现有消除反射波的二次反射过程中存在的反射系数增大、消波效果具有不确定性以及消波作用有限等问题，本专利技术提供了一种非线性多方向波浪吸收方法，基于非线性波浪理论，通过分解波动方程，根据波浪方向设计针对不同方向波浪的吸收边界方程，并通过对波浪相速度与水波色散关系的方程进行近似处理，能够有效吸收不同波陡(非线性)的波浪分量，无需额外增加计算域的长度，大幅提高了计算效率，对长波具有良好的吸收效果且具有通用性。本专利技术还涉及一种非线性多方向波浪吸收系统。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种非线性多方向波浪吸收方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]S1：基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解，根据波浪传播方向获得吸收不同传播方向的波浪分量的第一吸收边界方程，并利用帕德近似方法对波浪相速度与水波色散关系的方程进行近似处理，得到吸收不同非线性的波浪分量的第二吸收边界方程；
[0009]S2：构建波数与波动方程中速度势函数的第一关系式，并根据速度势函数的定义式和伯努利方程构建速度势函数与计算域边界处流体质点的速度的第二关系式，以及速度势函数与流体质点的压力的第三关系式，由第一关系式、第一吸收边界方程和第二吸收边
界方程计算得到第一方程，并将第一方程、第二关系式和第三关系式进行计算和离散后得到压力泊松方程；
[0010]S3：采用ILU
‑
BiCGSTAB算法求解所述压力泊松方程，得到流体质点的速度和压力，作为第一速度和第一压力，并将波浪传播到计算域边界处流体质点的速度和压力作为第二速度和第二压力，将第二速度和第二压力分别与第一速度和第一压力相比较，若第二速度和第一速度相等且第二压力与第一压力相等，则波浪被完全吸收。
[0011]优选地，所述S1步骤中，基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解包括：
[0012]第一步骤：基于波浪波数的单位向量将波动方程分解为关于波浪传播方向算子的第四关系式；
[0013]第二步骤：将波浪传播方向算子应用到波动方程中的速度势函数中，得到第二方程；
[0014]第三步骤：将第二方程的两边同时乘以法向向量，得到第一吸收边界方程。
[0015]优选地，所述S2步骤中，第一方程的计算是将所述第一关系式和第二吸收边界方程代入所述第一吸收边界方程中，计算得到第一方程。
[0016]优选地，所述S2步骤中，压力泊松方程的获得是将所述第二关系式和第三关系式代入所述第一方程中，计算得到第三方程，对第三方程进行离散得到压力泊松方程。
[0017]优选地，所述S1步骤中，所述波浪波数的单位向量的方向为波浪的传播方向。
[0018]一种非线性多方向波浪吸收系统，其特征在于，包括依次连接的第一模块、第二模块和第三模块，
[0019]第一模块，基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解，根据波浪传播方向获得吸收不同传播方向的波浪分量的第一吸收边界方程，并利用帕德近似方法对波浪相速度与水波色散关系的方程进行近似处理，得到吸收不同非线性的波浪分量的第二吸收边界方程；
[0020]第二模块，构建波数与波动方程中速度势函数的第一关系式，并根据速度势函数的定义式和伯努利方程构建速度势函数与计算域边界处流体质点的速度的第二关系式，以及速度势函数与流体质点的压力的第三关系式，由第一关系式、第一吸收边界方程和第二吸收边界方程计算得到第一方程，并将第一方程、第二关系式和第三关系式进行计算和离散后得到压力泊松方程；
[0021]第三模块，采用ILU
‑
BiCGSTAB算法求解所述压力泊松方程，得到流体质点的速度和压力，作为第一速度和第一压力，并将波浪传播到计算域边界处流体质点的速度和压力作为第二速度和第二压力，将第二速度和第二压力分别与第一速度和第一压力相比较，若第二速度和第一速度相等且第二压力与第一压力相等，则波浪被完全吸收。
[0022]优选地，所述第一模块中，基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解包括：
[0023]基于波浪波数的单位向量将波动方程分解为关于波浪传播方向算子的第四关系式；将波浪传播方向算子应用到波动方程中的速度势函数中，得到第二方程；将第二方程的两边同时乘以法向向量，得到第一吸收边界方程。
[0024]优选地，所述第二模块中，第一方程的计算是将所述第一关系式和第二吸收边界方程代入所述第一吸收边界方程中，计算得到第一方程。
[0025]优选地，所述第二模块中，压力泊松方程的获得包括：
[0026]将所述第二关系式和第三关系式代入所述第一方程中，计算得到第三方程，对第三方程进行离散得到压力泊松方程。
[0027]优选地，所述波浪波数的单位向量的方向为波浪的传播方向。
[0028]本专利技术的有益效果为：
[0029]本专利技术提供的一种非线性多方向波浪吸收方法，基于非线性波浪理论，基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解，获得第一吸收边界方程，能够根据波浪的传播方向选择吸收边界条件，该分解方法物理意义清晰，可吸收不同传播方向的波浪分量；并利用帕德P
á
de近似方法对波浪相速度与水波色散关系的方程进行近似处理，得到第二吸收边界方程，可有效吸收不同波陡(非线性)的波浪分量，进一步扩大了可吸收波浪的波陡(非线性)范围，有效减小了非线性不规则波浪的(二次)反射；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非线性多方向波浪吸收方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解，根据波浪传播方向获得吸收不同传播方向的波浪分量的第一吸收边界方程，并利用帕德近似方法对波浪相速度与水波色散关系的方程进行近似处理，得到吸收不同非线性的波浪分量的第二吸收边界方程；S2：构建波数与波动方程中速度势函数的第一关系式，并根据速度势函数的定义式和伯努利方程构建速度势函数与计算域边界处流体质点的速度的第二关系式，以及速度势函数与流体质点的压力的第三关系式，由第一关系式、第一吸收边界方程和第二吸收边界方程计算得到第一方程，并将第一方程、第二关系式和第三关系式进行计算和离散后得到压力泊松方程；S3：采用ILU
‑
BiCGSTAB算法求解所述压力泊松方程，得到流体质点的速度和压力，作为第一速度和第一压力，并将波浪传播到计算域边界处流体质点的速度和压力作为第二速度和第二压力，将第二速度和第二压力分别与第一速度和第一压力相比较，若第二速度和第一速度相等且第二压力与第一压力相等，则波浪被完全吸收。2.根据权利要求1所述的非线性多方向波浪吸收方法，其特征在于，所述S1步骤中，基于波浪波数的单位向量将波动方程进行分解包括：第一步骤：基于波浪波数的单位向量将波动方程分解为关于波浪传播方向算子的第四关系式；第二步骤：将波浪传播方向算子应用到波动方程中的速度势函数中，得到第二方程；第三步骤：将第二方程的两边同时乘以法向向量，得到第一吸收边界方程。3.根据权利要求1所述的非线性多方向波浪吸收方法，其特征在于，所述S2步骤中，第一方程的计算是将所述第一关系式和第二吸收边界方程代入所述第一吸收边界方程中，计算得到第一方程。4.根据权利要求3所述的非线性多方向波浪吸收方法，其特征在于，所述S2步骤中，压力泊松方程的获得是将所述第二关系式和第三关系式代入所述第一方程中，计算得到第三方程，对第三方程进行离散得到压力泊松方程。5.根据权利要求1所述的非线性多方向波浪吸收方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述波浪波数的单位向量的方向为波浪的传播方向。6.一种非线性...

【专利技术属性】
技术研发人员：常杏，董国祥，陈伟民，杜云龙，张青山，陈昆鹏，任海奎，
申请(专利权)人：上海船舶运输科学研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：