[发明专利]一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法

说明书

本发明提供一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，该方法是基于雷诺时均N‑S方程组模拟考虑粘性的波浪运动，利用湍流模型封闭N‑S方程组，作为本发明计算方法的控制方程；利用虚拟边界力法模拟波浪与弧板式防波堤之间的相互作用；同传统的弧板式防波堤受力计算方法相比较，本发明采用虚拟边界力法描述波浪与弧板式防波堤之间的相互作用，无需在弧板式防波堤表面布置边界条件，可极大的提高数值计算的效率。

技术领域：

本发明涉及防波堤工程技术领域，具体地讲是一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法；该发明可用于大型海洋平台、半圆型防波堤等海洋工程不规则结构物的研究。

背景技术：

弧板式防波堤作为一种新型防波堤结构型式，既可以通过锚链固定成为浮式防波堤，又可以通过桩基支撑形成透空式防波堤。与传统的消波防浪结构相比，弧板式防波堤具有诸多优点，它能通过破坏水质点的运动轨迹有效消散波能，同时兼具对地基要求低、结构简单、施工方便、生态环保、节约材料和利于港区内外水体自由交换等优点，符合新世纪“可持续发展的绿色生态港口”的基本要求。由于弧板式防波堤的消浪性能对于海洋工程设施的整体稳定性和结构安全性至关重要，提出一种计算波浪与弧板式防波堤相互作用的方法具有重要的工程应用价值。

关于波浪与此类不规则结构物相互作用的研究，部分学者采用基于势流理论的边界元法(Liu et al.,2009；Ning et al.,2014；Zhou et al.,2015；王双强等,2016)开展。此方法没有考虑流体的有旋性、漩涡的扩散性和能量的耗散性，是一种概化的无粘、无旋的理想流体，与实际流体运动存在较大差别，其应用受到一定限制。另有学者采用贴体网格法(Liu,et al.,2009；Li,et al.,2011；李雪艳等,2013)开展。此方法中贴体网格生成方法较为复杂，且需对流体控制方程进行曲线坐标变换，影响模型的计算效率。

发明内容：

本发明的目的是克服已有计算方法的不足，提供一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法；主要解决现有的方法应用受限及影响模型的计算效率等问题。

本发明的技术方案是：一种基于虚拟边界力法的弧板式防波堤受力计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

a根据所建立的数值水槽尺寸和弧板式防波堤结构所在的位置，采用笛卡尔坐标系统生成计算区域的网格；沿水槽水平和垂直方向均匀划分网格，水深方向的网格总长度大于水深与最大波高之和，且留有一定数量的空网格，以确保波动水面不受上边界限制；

b初始化计算区域的数值参数，计算域内所有网格点上的速度均设置为零，全域的压强值按静水压强分布设置；

c基于雷诺时均N-S方程组模拟考虑流体粘性的波浪运动，利用湍流模型封闭N-S方程组，作为计算方法的控制方程；所述的雷诺时均N-S方程组包括动量方程和连续方程；

d利用有限差分法对控制方程进行离散；所述的有限差分法的差分网格采用同位网格；

e设置计算区域的造波边界条件、开边界条件、数值水槽上下边界条件；

f根据速度、压强初始值，求出新时刻流场近似解，通过SIMPLE算法迭代调整压力，使得内部流体单元满足连续方程，自由表面单元满足自由表面动力边界条件，同时调整速度场；

g利用上一时刻的流体体积函数F值和已知的速度场，求出新时刻的F值，据此确定流体自由表面的位置；

h利用虚拟边界力法模拟波浪与弧板式防波堤之间的相互作用；

i判断计算过程是否满足数值稳定条件和收敛条件，若满足，则输出压力场和速度场结果；

j重复上述e至i步骤所述过程，直至计算时间达到程序所设定的总时间。