[发明专利]一种基于数值模拟的流体中曲面受力分布计算方法

说明书

本发明公开了一种基于数值模拟的流体中曲面受力分布计算方法，在计算模型中，虚拟面与网格交界均具有坐标、尺寸、压强差等网格要素，两者具有相同数学物理意义。虚拟面与网格交界面的区别仅在于是否被概化为曲面。当整个模型在迭代求解时，没有被概化为曲面的网格交界面允许水流通过，而被概化为曲面的虚拟面不允许水流通过。也就是说，在模型计算时，这些虚拟面就是曲面。因此，求出这些虚拟面的受力便能求解出曲面的受力。本发明能准确计算数学模型中曲面的受力分布，并对其进行精细分析；另外，针对曲面受力分布计算量大的特点，本发明计算逻辑与计算机编程逻辑相符，易于编程计算。

技术领域

本发明涉及一种基于数值模拟的流体中曲面受力分布计算方法，具体是一种利用程序对流体中含有形态复杂曲面的数学模型计算结果进行后处理和二次计算，求解曲面受力分布的计算方法。

背景技术

在工程领域，拦污栅、隔水帷幕、弧形闸等外观近曲面的工程设施具有形态复杂，受力计算困难，受力分布计算量大的特点。现有的计算方法多将这些曲面的受力分为静水压力和动水压力两方面求解。求解静水压力时，认为压力符合静压分布，若曲面一侧为流体，一侧为大气，则静水压力计算公式为：

p_s＝ρgh

式中，p_s为静水压强；ρ为流体密度；g为重力加速度；h为水深。

p_s＝ρgh

式中，p_s为静水压强；ρ为流体密度；g为重力加速度；h为水深。

若曲面置于流体中，两侧都有流体，则认为曲面受到的静水压力为两侧静水压力之差，即：

p_s＝p_frontside-p_backside

式中，p_frontside为曲面正面的静水压强；p_backside为曲面背面的静水压强。

该方法假设静水压力沿垂向变化，在水平方向相等，因此仅适用于静水压力水平方向差异较小的情况。若流体在水平方向由于盐度、含沙量、温度等因素分布不均，呈现出密度差异，会引起静水压力在水平方向的变化，该方法难以正确求解。

求解动水压力时，多以动量方程求解，即：

式中，为曲面受到的动水压力；Q为流量；β₁为进口处流体的动量修正系数；β₂为出口处流体的动量修正系数；v₁为进口处流速；v₂为出口处流速。

该方法可求解简单情况下曲面承受的总动水压力受力，但是不能精细求解动水压力的分布情况，另外该方法也难以求解绕流等复杂流态下曲面的动水压力。

随着数值模拟计算应用的普及，当前部分商业数值模拟软件也具有曲面受力计算的功能。但是这些软件存在以下三个缺陷：

a)部分商业软件仅可输出曲面的整体受力，不能得到曲面的受力分布；

b)当曲面至于流体中，两侧均有流体时，若部分曲面的网格正面为流体，背面为固体，则该网格正面压力会被计算为静水压力与动水压力之和，背面压力会被识别为无压力。而在实际情况下，若曲面贴向固体，会受到固体的顶托力，以平衡流体带来的压力。因此这种算法与实际受力不符，水深较深时，会带来非常大的计算误差。

随着工程技术的发展，对水工建筑物的受力分析提出了更高的要求，但现有的曲面受力计算方法已难以满足工程应用的需要，因此迫切需要一种能准确计算流体中曲面受力分布的计算方法。

发明内容