基于力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟系统及方法技术方案

一种基于力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟系统及方法，包括：波流数值仿真模块、边界识别模块、力源计算模块和结构物动力学仿真模块，本发明专利技术通过力源法避免结构物动边界引起的流体计算域中计算网格的畸变，降低网格重复生成的计算成本；通过动力学方程中体积力(力源)的合理布置及强度设定，强制流场严格满足结构物运动过程中的固体壁面的运动学条件，实现流固耦合的一体化数值仿真；采用高效流固边界识别技术和高精度流固边界数据交换的数值插值方法，实现大幅度运动的水工结构物的高效仿真。效仿真。效仿真。

【技术实现步骤摘要】
基于力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟系统及方法


[0001]本专利技术涉及的是一种计算流体力学领域的技术，具体是一种基于力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟系统及方法，适用于波流环境中结构物的大幅度刚体运动和柔性体运动。

技术介绍

[0002]数值仿真在流固耦合动力学的研究中应用广泛。在海洋工程、海岸工程和水利工程的水工结构物的工程建设中，流固耦合数值模拟在工程预研、结构物设计过程中发挥着重要作用，尤其是提高大型水利工程建设预研工作的可靠性及降低设计成本。流固耦合运动的数值模拟通常需要不断更新固体在流体中的位置和重构流体域计算网格及设定流固边界条件，通过往复迭代实现耦合模拟。难点在于结构运动过程中流体域计算网格的重新剖分(动网格)和边界条件的重构(固体边界的模拟)。结构物的高频大幅度运动不仅增加流体域中计算网格重新生成的计算消耗，同时导致计算网格畸变降低网格质量。动边界的模拟需要采用高阶插值格式以降低计算误差。上述数值模拟方法需要较大的计算成本。为保证精度及数值稳定性，无论计算域尺度，还是网格分辨率和计算迭代时间步长均受到限制。
[0003]力源法(浸没边界法)提出了一种流固耦合模拟的数值方法，其在固定计算网格系统中实施，无需流体运动模拟过程中计算网格的重新生成，避免畸形网格的出现，降低流体计算网格重复生成的计算代价。对于水体中固体大幅度运动的数值模拟，力源法兼顾模拟精度与效率，满足海洋工程、水利工程中波流结构物耦合运动仿真的工程应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术无法应用于计算域尺度巨大的大型水利工程，如河口挡潮闸的开闭过程、海洋平台等的不足，提出一种基于力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟系统及方法，通过力源法避免结构物动边界引起的流体计算域中计算网格的畸变，降低网格重复生成的计算成本；通过动力学方程中体积力(力源)的合理布置及强度设定，强制流场严格满足结构物运动过程中的固体壁面的运动学条件，实现流固耦合的一体化数值仿真；采用高效流固边界识别技术和高精度流固边界数据交换的数值插值方法，实现大幅度运动的水工结构物的高效仿真。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种波流水动力环境下结构物动力学的流固耦合仿真系统，包括：波流数值仿真模块、边界识别模块、力源计算模块和结构物动力学仿真模块，其中：波流数值仿真模块根据输入的波流场边界条件进行数值模拟，得到流速和压力的空间分布信息；边界识别模块根据输入的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，确定流体域内的固体所占区域和固体边界离散点位置；力源计算模块根据背景流速场信息进行插值处理，得到代表固体边界的离散点处的力源强度；结构物动力学仿真模块根据离散点处的力源强度，计算固体所受的水动力载荷，求解刚体动力学方程，计算得到固体位移并更新固体边界后
输出至边界识别模块，计算波流在离散点处施加力源后的动力学方程，得到更新的流场信息。
[0007]所述的波流场边界条件是指：计算域入口处的水动力学参数，包括波周期、波高、水流速度。
[0008]所述的水工结构物的外形几何信息是指：流体域内固体结构物的形状描述。
[0009]所述的背景流速场信息是指：流体计算域中围绕固体结构物覆盖区域的流场流速、压力值的空间分布。
[0010]本专利技术涉及一种基于上述系统的力源法的水工结构物流固耦合动力学模拟方法，包括：
[0011]步骤1)流体域内固体域的识别：通过边界识别模块将待处理的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，采用射线法识别虚拟固体边界，从而在流体计算域内虚构出固体所占区域，确定虚拟固体边界离散点位置(w,y,z)和虚拟固体边界外法向单位矢量
[0012]步骤2)流固交界面边界条件实现：在流体动力学控制方程中引入分布的力源项，该体积力强制流体计算域内的虚拟固体边界处的流场满足固体壁面的速度边界条件V
f
＝V
s
，其中：f为流体，s为固体。
[0013]步骤3)力源驱动流动：通过波流数值仿真模块更新流体计算域的流场，获得虚拟固体边界影响下新的流场流速V
f
和压力数据p
f
，计算固体所受的水动力载荷F
f
‑
s
。
[0014]步骤4)动边界更新：通过结构物动力学仿真模块计算固体运动的加速度及角加速度、速度及角速度，更新固体在流体计算域中的位置。技术效果
[0015]本专利技术针对海洋工程、水利工程中大尺度结构物流固耦合运动的数值模拟，在流体域内虚构固体几何外形，采用动力学控制方程中引入体积力，强制满足流固交界面运动学边界条件，从而模拟波流环境中固体实体的动力学过程。相比现有数值模拟技术受限于动力学过程巨大的时空尺度，数值模拟局限于缩比模型尺度和简化的水动力条件，本专利技术兼顾数值模拟精度与效率，对水工结构物(涵闸、平台等)进行实尺度的数值仿真，为工程预研、工程效果评估、水工结构物设计及优化提供一种工程化的技术手段。
附图说明
[0016]图1为本专利技术系统示意图；
[0017]图2为实施例边界识别方法示意图；
[0018]图中：a中黑色矩形符号代表固体所占计算单元，白色圆圈代表流体所占计算单元，b为射线法判断固体域的示意图；
[0019]图3为水中结构物数字化的虚拟边界应用示意图；
[0020]图4为实施例河道挡潮闸开闭过程的虚拟流固交界面力源点俯视图；
[0021]图中：a为河道地形、岸线俯视图，b为河道局部挡潮闸虚拟结构物俯视图；
[0022]图5为实施例虚拟边界满足的运动学边界条件和局部流场插值过程示意图；
[0023]图中：黑色圆点为力源插值点；
[0024]图6为实施例力源法仿真河道挡潮闸启闭过程的水动力效应示意图；
[0025]图中：a为闸门型式一开启某瞬时水表面流速场俯视图，b为闸门型式二开启某瞬
时水表面流速场俯视图。
具体实施方式
[0026]如图1所示，为本实施例涉及的一种波流水动力环境下结构物动力学的流固耦合仿真系统，包括：波流数值仿真模块、边界识别模块、力源计算模块和结构物动力学仿真模块，其中：波流数值仿真模块根据输入的波流场边界条件进行数值模拟，得到流速和压力的空间分布信息，流场信息输入力源计算模块用于体积力强度的计算；边界识别模块根据输入的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，确定流体域内的固体所占区域和固体边界离散点位置，数据输入波流数值仿真模块确定流体域和固体域，同时输入力源计算模块提供力源在流场中的位置信息；力源计算模块根据背景流速场信息和力源离散点进行插值处理，得到代表固体边界的离散点处的力源强度，力源强度信息输入波流数值仿真模块进行水流运动求解，同时输入结构物动力学仿真模块为结构物运动模拟提供外力信息；结构物动力学仿真模块根据离散点处的力源强度，计算固体所受的水动力载荷，求解刚体动力学方程，计算得到固体位移并更新固体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波流水动力环境下结构物动力学的流固耦合仿真系统，其特征在于，包括：波流数值仿真模块、边界识别模块、力源计算模块和结构物动力学仿真模块，其中：波流数值仿真模块根据输入的波流场边界条件进行数值模拟，得到流速和压力的空间分布信息；边界识别模块根据输入的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，确定流体域内的固体所占区域和固体边界离散点位置；力源计算模块根据背景流速场信息进行插值处理，得到代表固体边界的离散点处的力源强度；结构物动力学仿真模块根据离散点处的力源强度，计算固体所受的水动力载荷，求解刚体动力学方程，计算得到固体位移并更新固体边界后输出至边界识别模块，计算波流在离散点处施加力源后的动力学方程，得到更新的流场信息；所述的波流场边界条件包括波周期、波高、水流速度；所述的水工结构物的外形几何信息是指：流体域内固体结构物的形状描述；所述的背景流速场信息包括：流体计算域中围绕固体结构物覆盖区域的流场流速、压力值的空间分布。2.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的波流数值仿真模块包括：边界条件输入单元、自由表面求解单元和流场求解单元，其中：边界条件输入单元根据输入的水动力信息进行波流入流信息处理，得到波流数值模拟的边界条件；自由表面求解单元计算自由表面位置，得到波流水面的时空演化结果；流场求解单元根据输入的边界条件和自由水面确定的流体计算域信息进行动力学方程求解，得到流场信息；所述的波流入流信息处理是指：计算域入口处的波周期、波高、水流速度、水深；所述的自由水面确定的流体计算域信息是指：水体空间分布，由于自由表面的变动，流体计算域时刻发生变化；所述的动力学方程求解是指：流体动力学的基本控制方程，即三维的动量方程；所述的流场信息包括：流速、压力值的空间分布。3.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的边界识别模块包括：边界信息输入单元、边界识别单元和离散边界数字化建库单元，其中：虚拟固体边界信息输入单元根据输入的水工结构物的外形几何信息进行数字化处理，得到固体曲面的数学表达式；边界识别单元基于射线理论进行虚拟固体边界识别，划分流固计算域；离散边界数字化建库单元根据虚拟固体边界识别信息进行处理，建立数据库；所述的虚拟固体边界识别是指：在流体计算域内自动识别固体所占区域，即确定虚拟固体边界在流体计算域内的位置；所述的虚拟固体边界识别信息是指：流体域内虚拟固体边界的数字化信息；所述的数据库包括：虚拟固体边界离散点和虚拟固体边界外法向单位矢量。4.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的力源计算模块包括：虚拟边界力计算单元和力源分布单元，其中：虚拟边界力计算单元根据背景流速场信息进行水动力载荷计算，得到离散点处的力源强度值；力源分布单元根据离散点处的力源强度信息，在流体域内进行两种插值处理，得到交界面附近流体计算单元点处的力源强度值；所述的水动力载荷计算是指：根据流速、压力信息计算施加于固体的流动载荷；所述的两种插值包括：线性与二阶插值、δ函数插值，两种插值方式可独立选用。5.根据权利要求1所述的流固耦合仿真系统，其特征是，所述的结构物动力学仿真模块包括：结构载荷计算单元和动力学求解单元，其中：结构载荷计算单元根据离散点源强度和
空间分布信息进行固体所受载荷计算，得到合力与合力矩；动力学求解单元根据固体物性参数和载荷信息进行动力学方程求解，得到更新的位移、速度、加速度结果，进一步更新流固交界面位置和移动速度；所述的固体所受载荷计算是指：通过流场信息计算固体所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景新，罗鹏翾，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：