[发明专利]基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法

权利要求书

1.一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：包括以下步骤：

以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型，基于上一时刻浮标对流场的反作用，修正流场，求解波浪场条件；

基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程；

利用两相流数学模型计算作用在浮标体上的波浪力和波浪力矩；

求解浮标在波浪作用下的运动响应和锚泊系统受力，计算得到浮标的运动响应。

2.如权利要求1所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：以两相流、不可压缩的Navier-Stokes方程组为基本控制方程组，建立气液两相流的流场数学模型的具体过程包括：

步骤11，在牛顿流体范围内，采用Navier-Stokes方程描述水体和气体的运动，

式中，u_i(i＝1,2)为速度分量，σ_ij为粘性力，σ_ij＝-pδ_ij+2μ(1-δ_ij/3)S_ij，f_i表示重力；

步骤12，在计算域内，采用多相流的描述方式，引入体积函数满足方程

式中，表示目标流体在控制元中所占的比值，其中，Ω_m表示被水体或空气占据的计算区域；

步骤13，在笛卡尔交错网格系统采用有限差分的方法进行控制方程的求解，控制方程改写为如下形式，

运用分步计算方法将计算过程分为两个：对流过程和非对流过程；

步骤14，体积函数的求解，采用双曲正切函数格式求解；

经过以上步骤的计算，得到波浪场的速度、压力和波面条件。

3.如权利要求2所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：步骤13的具体步骤包含以下两个步骤：

步骤131，分解出的对流过程的方程式如下：

该方程采用紧致差分法求解；

步骤132，分解出的非对流过程的方程式如下

和

此两个方程分别采用中心差分格式和显式差分，隐式差分和超松弛迭代方法求解。

4.如权利要求1所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：采用浸没边界法计算浮标体运动对流体产生的反作用力，修正流场。

5.如权利要求1所述的一种基于两相粘性流理论的海洋浮标水动力特性分析方法，其特征是：基于牛顿第二定律，建立浮标重心的运动方程的具体过程包括：

假定浮标体有两个张紧式系泊缆索约束，浮标体横断面表面上的流体瞬时力为F_iwx，F_iwz，其中i表示浮标体的某一个表面，其上的拉力分别为T₁、T₂。根据牛顿第二定律，有：

∑F_x＝∑F_iwx+T₁ cosθ₁+T₂ cosθ₂＝ma_x

∑F_z＝∑F_iwz-mg+T₁ sinθ₁+T₂ sinθ₂＝ma_z

∑M_c·Fx+∑M_c·Fz+∑M_c·T＝mα_c

式中，m为浮标体的质量，a_x和a_z为浮标体重心在水平和垂直两方向上的加速度，α_c为浮标体重心绕y轴的转动加速度，M_c·Fx、M_c·Fz、M_c·T分别为波浪水平力和垂直力以及缆索拉力对浮箱重心的力矩，θ₁和θ₂为两缆索与水平轴正向的夹角。