基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，包括：搭建可供用户输入数据的交互界面；初始化模块，建立三维液舱模型；获取流体初始信息；设置边界虚粒子；进入迭代循环，更新临时网格设置，搜索邻近粒子；更新粒子信息；求出加速度及密度的变化率；更新粒子信息；导出用于后处理的计算数据；返回第二步，直至达到设定的循环次数后，退出循环；读取粒子信息制作动画；设置程序中结果图片显示的视角参数，得到相同视角的结果图片集，读取图片集合成视频并保存。本发明专利技术方便快捷，用户只需在交互界面输入相关信息，就可以输出液面高度、液体压强等数据，直观地观察液体晃荡形态，简明扼要，便于操作。便于操作。便于操作。

【技术实现步骤摘要】
基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法


[0001]本专利技术属于船舶工程
，具体涉及一种基于python和c++语言模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法。

技术介绍

[0002]进口天然气主要为海上运输，在运输过程中，往往需要特定的液化天然气(LNG)运输船，以应对复杂恶劣的海洋环境条件，安全问题不可忽视。在飓风、海浪等情况下，装载LNG的液舱将会剧烈晃荡，引起舱内LNG的晃荡，进而可能导致液舱内壁的破坏。因此，探索LNG的晃荡问题尤为关键。但LNG液舱往往体型较大，装载LNG进行破坏实验具有较高的危险性，且需要多次实验才可能得到可信赖的结果，浪费严重。
[0003]目前常见的研究液舱晃荡的方法主要为：
[0004](1)实验的方法，利用液舱晃荡试验装置进行实验，将浪高仪、压力传感器等装置在液舱内与计算机相连用并传输信息。但诸如此类的原型实验会造成时间和资源的浪费且具有一定危险性；而模型试验考虑到材料的物理、力学性能难以满足相似条件的要求，以及尺寸效应等现象带来的局限性，同样难以模拟大规模海上运输时的环境条件。
[0005](2)用算法模拟，包括有网格的或无网格的模拟方式。但市面上的模拟方法多为抽象的理论，理解并使用较为麻烦。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，能够快速准确拟合并计算出LNG船运输过程中液舱晃荡引发的LNG的改变，从而判断液舱是否会存在发生危险的可能性。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术手段实现：
[0008]基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，包括如下步骤：
[0009]S1:利用Pyqt5模块搭建可供用户输入数据的交互界面；
[0010]S2:通过交互界面输入LNG船的设定数据，基于sph无网格化方法建立LNG船三维液舱模型；
[0011]S3:获取LNG船中运输的液化天然气流体的初始信息，包括流体的初始密度初速度和液化天然气粒子间的初始距离Δρ；液化天然气由若干粒子组成，设定初始时刻液化天然气为均质流体，则Δρ为常数；
[0012]S4:设置边界虚粒子：具体为，将LNG船三维液舱模型简化为二维模型，获取液舱的矩形截面，根据步骤S2中的三维液舱模型的尺寸设置边界虚粒子间的相对位置，模拟液舱边界；
[0013]S5:更新临时网格设置，由链表搜索法搜索邻近粒子；所述临时网格设置包括网格的大小、位置及编号，邻近粒子是指以每个粒子为中心光滑核半径范围内的所有其他粒子；
[0014]S6:预测并更新粒子的位置信息；具体为，在每一个时间步长开始前，更新粒子位
置；
[0015]S7:通过动量方程求得各粒子的加速度，并通过连续密度法，求出流体密度的变化率；
[0016]S8:校正并再次更新粒子信息：具体为，在每一个时间步长结束时，更新粒子位置、速度和加速度；
[0017]S9:导出用于后处理的计算数据，包括位置坐标、速度、加速度和压力，每个时间步长导出一次；
[0018]S10:重复步骤S6
‑
S9，直至达到设定的循环次数后，退出循环；
[0019]S11:后处理，利用Pyvista，读取粒子信息制作动画，即得到LNG船运输过程中液舱晃荡的模拟动画。
[0020]进一步优化，所述步骤S2中，通过交互界面输入LNG船的设定数据，包括：液舱的长度和高度，以及液体的初始位置。
[0021]进一步优化，所述步骤S5中，网格大小与光滑核函数支持域大小相等，记为2h，h为光滑核半径。
[0022]进一步优化，所述步骤S5中，由链表搜索法搜索邻近粒子，具体包括如下步骤：在整个计算域内建立网格，将全部粒子放入网格中；由粒子位置得出粒子间的距离，根据此距离确定每个网格对应的粒子，在每个小网格内部建立一个相应的链表，将网格内的粒子放入链表中，搜索其中一个粒子的周围粒子时，只需要对其周围的9个网格进行搜索，能够有效地节约计算时间，快速高效找到周围粒子。
[0023]进一步优化，所述步骤S6，具体为：采用SPH时间积分求解中的newmark法,预测并更新粒子位置信息：
[0024][0025]式中，Δt为时间步长，x
t
为t时刻粒子位置，为t时刻粒子速度，x
t+Δt
为t+Δt时刻粒子位置。
[0026]进一步优化，根据光滑粒子流体动力学中的密度求和法，得出加速度由外力、内力及人工粘滞力三个力的合力产生，通过在求解公式中补充人工粘滞力项以消除拉伸不稳定现象；求出参考压强动量方程的压力项由散射方程求出人工参数R
i
、R
j
，再通过动量方程求得粒子的加速度：
[0027][0028]并由连续密度法，求出密度的变化率：
[0029][0030]式中，下标i表示某粒子，下标j表示i粒子任意的邻近粒子，v
max
为粒子的最大速
度，取γ＝7，R
ij
＝R
i
+R
j
，ρ0为流体的初始密度，m为某粒子质量，r
ij
为粒子i和j的距离，Δρ为初始粒子间距，v
ij
＝v
i
‑
v
j
，w
ij
＝w(r
i
‑
r
j
,h)为光滑核函数，K为张量哑指标。
[0031]进一步优化，校正并更新流体位置、速度、加速度信息：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037]其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，δ、β为参数,t为时刻，Δt为时间步长，为有效刚度矩阵，为t+Δt时刻的有效荷载列阵，为t+Δt时刻粒子的速度，为t+Δt时刻粒子的加速度、即步骤S7中的
[0038]进一步优化，所述步骤S11中，具体包括如下步骤：
[0039]S11.1：使用pyvista逐一读取结果文件目录中的粒子位置文件，同时读取另一个文件目录中粒子速度文件，以粒子对应点的速度作为参数，进行颜色绘制，得到位置—速度图；读取的粒子信息包括步骤S9中导出的位置坐标、速度、加速度和压力信息，粒子位置信息用于制作逐帧画面，粒子速度信息用于染色，并将画面连成动画。
[0040]S11.2：设置结果图片显示的视角参数，将其设置为二维视角，得到相同视角的结果图片集，并保存在结果文件夹中；
[0041]S11.3：读取图片集，通过cv2模块，设置合适的帧率与大小之后，合成视频，保存视频。
[0042]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0043]采用本专利技术所述的基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，方便快捷，用户只需在交互界面输入相关信息本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1:利用Pyqt5模块搭建可供用户输入数据的交互界面；S2:通过交互界面输入LNG船的设定数据，基于sph无网格化方法建立LNG船三维液舱模型；S3:获取LNG船中运输的液化天然气流体的初始信息，包括流体的初始密度初速度和液化天然气粒子间的初始距离Δρ；液化天然气由若干流体粒子组成，设定初始时刻液化天然气为均质流体，则Δρ为常数；S4:设置边界虚粒子：具体为，将LNG船三维液舱模型简化为二维模型，获取液舱的矩形截面，根据步骤S2中的三维液舱模型的尺寸设置边界虚粒子间的相对位置，模拟液舱边界；S5:更新临时网格设置，由链表搜索法搜索邻近粒子；所述临时网格设置包括网格的大小、位置及编号，邻近粒子是指以每个粒子为中心光滑核半径范围内的所有其他粒子；S6:更新粒子信息：具体为，在每一个时间步长开始前，预测并更新粒子的位置；S7:通过动量方程求得各粒子的加速度，并通过连续密度法，求出流体密度的变化率；S8:再次更新粒子信息：具体为，在每一个时间步长结束时，校正并更新粒子位置、速度和加速度；S9:导出用于后处理的计算数据，包括位置坐标、速度、加速度和压力，每个时间步长导出一次；S10:重复步骤S6
‑
S9，直至达到设定的循环次数后，退出循环；S11:后处理，利用Pyvista，读取粒子信息制作动画，即得到LNG船运输过程中液舱晃荡的模拟动画。2.根据权利要求1所述的基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过交互界面输入LNG船的设定数据，包括：液舱的长度、宽度和高度，挡板的宽度、高度、厚度、位置，以及LNG船的运行速度。3.根据权利要求2所述的基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，其特征在于，所述步骤S5中，网格大小与光滑核函数支持域大小相等，记为2h，h为光滑核半径。4.根据权利要求3所述的基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，其特征在于，所述步骤S5中，由链表搜索法搜索邻近粒子，具体包括如下步骤：在整个计算域内建立网格，将全部粒子放入网格中；由粒子位置得出粒子间的距离，根据此距离确定每个网格对应的粒子，在每个小网格内部建立一个相应的链表，将网格内的粒子放入链表中，搜索其中一个粒子的周围粒子时，只需要对其周围的9个网格进行搜索。5.根据权利要求4所述的基于python和c++模拟LNG船运输过程中液舱晃荡的方法，其特征在于，所述步骤S6，具体为：采用SPH时间积分求解中的newmark法,预测并更新粒子位置信息：式中，Δt为时间步长，x
t
为t时刻粒子位置，为t时...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐奕蓝，王瑾，黄丹，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：