[发明专利]基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法，包括：采用CFD的基本控制方程、建立湍流模型、建立VOF模型、采用动网格技术、船在明渠流中航行的计算模型、船舶在明渠流中航行的仿真策略等步骤。本发明通过模拟明渠流二阶Stoke波，得到波面的时间历程图像，实现了波浪的生成、传播、变形、消波的过程。

技术领域

本发明涉及一种基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法。

背景技术

随着海洋工程的发展，船舶作业逐渐由近海走向深海，人们对船舶的安全性能提出越来越高的要求。船舶在海上行驶时，会受到海风、海浪、海流等因素的扰动，就会发生各种摇摆运动。在这些干扰因素中，海浪是引起船舶摇摆运动的主要原因。因此，研究海浪对船舶姿态的扰动引起人们的重视。

波浪对船体扰动的研究，很早就有一些学者对此进行学术研究，主要方法有CFD方法与实验法。CFD方法是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。而实验法的成本巨大，一般采用较少。19世纪60年代初，傅汝德首次提出船舶运动的横摇理论。到20世纪50年代，波浪对船舶扰动的研究取得了重大突破是谱分析法的引入，1953年，皮尔逊(Pierson)和圣·丹尼斯(St·Denis)两人将用在通信领域处理噪声的理论应用于船舶于不规则波浪中的运动，提出在不规则波浪中船体运动的理论方法。对船体的六个自由度仿真研究中，国内外采用了不少半实物仿真平台，如日本的IHI公司研发的船舶模拟器、大连海事大学的船舶姿态控制平台等，提出以规则的正弦波代替实际海浪研究海浪对船舶的干扰。2007年华中科技大学的王曦运用MATLAB软件对根据修正的切片理论的船体垂荡和纵摇进行数值模拟，推导出Wigley船模在规则波中作垂荡运动和纵摇运动的方程。2011年，上海交通大学的倪崇本考虑自由液面的影响开展的兴波阻力计算，在进行网格划分时加密船体周围网格，并且将船体附近的网格作为随体网格一起做刚体运动，采用动网格模型预报了S60船舶的航行姿态。2014年，大连海事大学的陶毅涵对基于CFD的规则波中船舶波浪力模型进行研究，证明了采用CFD数值模拟的方法研究船舶波浪力是可行的且结果准确性较高。

综合前人对船随波浪运动的研究，可知CFD方法对船随波浪运动流场数值模拟的可靠性和准确性，相较于理论数值计算可以清晰地获得其流场分布信息，相较于实验方法又节约了经济成本。另外可以知道大多学者把波浪看作是正弦波来进行理论研究，但在实际海洋中，有学者指出船在行驶时的波浪一定不是正弦波。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从模拟真实海况下的波浪出发的基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法，其特征是：包括下列步骤：

(1)采用CFD的基本控制方程：

质量守恒方程(1)、动量守恒方程(2)和能量守恒方程(3)；

其中ρ是密度，t是时间，u是速度矢量，S_u、S_v和S_w是动量守恒方程的广义源项，其中，u、v和w分别是速度矢量u在x、y和z方向上的分量，μ是动力粘度，λ为第二粘度；对于粘性为常数的不可压缩流体，源项为零；T表示温度，k表示流体传热系数，c_p表示比热容，S_T表示粘性耗散热，对于不可压缩流体，热交换量较小，可忽略不计；

(2)建立湍流模型

考虑到船在航行时海水密度变化很小，不会对流体流动产生突出的影响，则不可压缩流体运用时均运算法则得到Reynolds平均Navier-Stokes方程为：