【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种船舶在波浪中的甲板上浪载荷快速预报方法。
技术介绍
1、对于船首大外飘型船舶，在恶劣海况下航行时，易产生因大幅船波剧烈相对运动而导致的甲板上浪现象，由此引发的甲板上浪载荷对船舶上层建筑和甲板货物产生巨大的冲击效应，对船体结构强度构成威胁，目前甲板上浪载荷预报已引起行业内的广泛关注。为形象描述甲板上浪现象，圣维南方程组被提出并得到广泛应用。圣维南方程组作为双曲型方程组，目前尚无积分解，在实际应用中一般会根据实际问题对圣维南方程组做出简化处理，然后采用理论或差分方式进行求解。由于简化模型本质上是忽略了部分因素而建立的半经验公式，难以描述上浪水流在甲板上的动态流动过程，无法反映船体结构与上浪水体的相互作用。为了更严格地描述甲板上浪水体运动，则需要采用数值方法直接求解圣维南方程组。因此，maccormack有限差分方法被提出用于圣维南方程组的直接计算求解。
2、标准maccormack有限差分方法包括两步：预测步和矫正步。在预测步中，根据第n时刻的结果采用向后差分方法计算第n+1时刻的临时值，然后在矫正步中利用向前差分对空间导数逼近，但大量研究表明：maccormack有限差分方法的显著缺点是在激波附近会产生数值震荡。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：对数值格式进行改进，以准确高效地计算甲板上浪载荷。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种基于改进maccormack-tvd的甲板上浪预报方法，其特征在于，包括以下步骤：>
3、步骤1、将船舶甲板面进行网格离散，并对每个网格节点进行编号；
4、步骤2、将圣维南方程组中连续性方程和运动方程进行合并改写为统一形式；
5、步骤3、基于tvd格式在每个时间步上连续求解两个一维双曲方程，得到有限差分算子；
6、步骤4、引入矫正项以满足目标函数的约束条件；
7、步骤5、计算甲板面上浪水头高度、速度以及甲板x、y方向的水平上浪冲击载荷。
8、优选地，步骤2中，所述连续性方程表示为：
9、
10、式中，h为为总水深，h＝η+hp，η是水面高度，hp是坡面高度，q为流量，q＝hv，v是流速，t为时间，x为甲板水平位置；
11、所述运动方程表示为：
12、
13、式中，g是重力加速),r是水力半径，c是舍齐系数，ib是渠底坡度。
14、优选地，步骤2中，将圣维南方程组中连续性方程和运动方程进行合并改写为下式：
15、
16、式中，x表示有限差分算子，f表示矩阵代值，s表示矩阵代值，且有：
17、
18、
19、
20、优选地，步骤3中，第n+1时刻、第i个网格编号位置处的有限差分算子表示为则有：
21、
22、式中：表示预测步有限差分算子，有：
23、
24、p代表预测步，n为第n时刻，δt为时间步，i、i-1为网格节点编号，δx为位移差；
25、表示预测步有限差分算子，有：
26、
27、c代表矫正步，i+1为网格节点编号；
28、和称为第i个网格前1/2与后1/2位置处的连续梯度比率；和和分别为第i个网格前1/2与后1/2位置处的目标函数；
29、和分别为第i个网格前1/2与后1/2位置处的有限差分算子。
30、优选地，步骤3中，和分别表示为：
31、
32、
33、优选地，步骤3中，和分别表示为：
34、
35、
36、优选地，步骤4中，所述目标函数g(x)表示为：
37、
38、式中：为斜率限制器；
39、c为常数，cr为库朗数。
40、优选地，步骤4中，所述斜率限制器表示为：
41、
42、优选地，步骤4中，所述库朗数cr表示为：
43、
44、优选地，步骤5中，x方向上浪冲击载荷表示为fx_gw，y方向上浪冲击载荷表示为fy_gw，则有：
45、
46、
47、式中，ρ为水流密度，uz为有限差分法计算的不同高度处水流的水平速度，b为甲板宽度，l为甲板长度，β为浪向角。
48、本专利技术为服务于波浪中船舶甲板上浪载荷的快速计算，通过引入高分辨率tvd人工耗散算子改进原始maccormack方法，消除激波附近的数值振荡，在此基础上计算甲板面上浪水头高度和速度后，应用动量定理对船舶甲板上浪载荷进行快速计算，提高了甲板上浪载荷的计算精度，为船舶甲板上浪载荷的快速计算提供了精确计算方法。
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1.一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤2中，所述连续性方程表示为：
3.如权利要求2所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤2中，将圣维南方程组中连续性方程和运动方程进行合并改写为下式：
4.如权利要求3所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤3中，第n+1时刻、第i个网格编号位置处的有限差分算子表示为则有：
5.如权利要求4所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤3中，和分别表示为：
6.如权利要求4所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤3中，ri+和ri-分别表示为：
7.如权利要求1所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤4中，所述目标函数G(x
8.如权利要求7所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤4中，所述斜率限制器表示为：
9.如权利要求7所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤4中，所述库朗数Cr表示为：
10.如权利要求7所述的一种基于改进MacCormack-TVD的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤5中，x方向上浪冲击载荷表示为Fx_gw，y方向上浪冲击载荷表示为Fy_gw，则有：
...【技术特征摘要】
1.一种基于改进maccormack-tvd的甲板上浪预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于改进maccormack-tvd的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤2中，所述连续性方程表示为：
3.如权利要求2所述的一种基于改进maccormack-tvd的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤2中，将圣维南方程组中连续性方程和运动方程进行合并改写为下式：
4.如权利要求3所述的一种基于改进maccormack-tvd的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤3中，第n+1时刻、第i个网格编号位置处的有限差分算子表示为则有：
5.如权利要求4所述的一种基于改进maccormack-tvd的甲板上浪预报方法，其特征在于，步骤3中，和分别表示为：
6.如权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：葛俊波，江心，王果，刘靖峤，邵宏翔，陈泽浩，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇八研究所，
类型：发明
国别省市：
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