[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

说明书

本公开提供了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，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。相比于传统的非耦合或准静态的分析方法，能够在保证计算效率的同时提供更准确的水动力特性分析结果。

技术领域

本公开属于海洋工程领域，涉及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。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

我国海洋面积辽阔，其中水深400m以上、海况恶劣的深海海域面积广，对这部分海域的监测和开发尚处于起步阶段。放置于该区域的浮标需要在风浪流等复杂恶劣的海洋环境条件下工作，其结构的水动力荷载和运动响应较复杂。监测浮标漂浮在水面，既有上、下振动，又有横向摇动。浮标在上、下振动时，浮标上的设备，特别是GPS天线，应始终暴露在水面之上，不能被水淹没，否则会造成信号丢失。因此，在设计时需对浮标的受力状态和运动响应进行分析。浮标的水动力特性直接影响其上所载仪器仪表设备的正常工作，对其可靠性和安全性有重要影响。对于锚泊式浮标，要求其在恶劣海况下不发生跑标或断链，锚泊系统的设计和强度校核对这类浮标具有重要意义。在对浮标进行结构设计时，需对浮标工作海域极限生存环境条件和极限工作环境条件下的水动力荷载和运动响应进行计算分析，并设计作为有效载荷搭载到浮标标体和系泊系统上；浮标主体结构设计完成后，还需要分析其水动力学性能，校核浮标设计的关键技术指标。各国浮标出现问题大半是由于设计前对极限生存环境条件估计不足，所设计浮标性能无法满足实际海况要求。一个深海浮标，其自身价值超过百万元，出海维护的费用也高达二十五万元/天。因此，在设计阶段对浮标的水动力荷载和运动响应进行精确地分析和校核，对确保浮标的工作性能和安全性能具有重要作用。

大多数关于浮标的研究是在势流理论的假定下进行的，假定流体为无粘无旋的理想流体，并且采用半经验的Morison公式来计算波浪力。粘性流理论一般基于N-S方程，可以研究粘性作用导致的复杂流动特征，可以处理海洋结构物的大幅运动和波浪破碎等强非线性问题。粘性流理论在船舶领域的研究成果较多，许多学者就液舱晃荡、船舶耐波性及甲板上浪等问题开展了深入研究，在浮标体的水动力特性分析方面的应用较少。目前，较成熟的商业软件，如Star-CD、Phoenics、 CFX、Fluent等可以进行浮体的水动力计算，但各商业软件均存在局限性。Phoenics网格粗糙，易用性差；CFX的计算精度较高，但计算速度慢，有时需要结合其它软件解决问题，对计算机配置和技术人员的要求较高。在算法上，多数模型基于贴体网格，原理较复杂，对于复杂的问题需要二次开发，工序复杂，计算周期较长。尤其在计算极限生存环境条件时，波浪破碎和浮标的剧烈运动等强非线性问题会导致计算的崩溃。为了维持计算，必须采用密集网格，计算效率大大降低，同时需要大型计算集群。在工程设计中，需要在保证精度的前提下具有较高的计算效率，此类算法在现阶段尚不具备推广使用的条件。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了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，本公开能够在传统的笛卡尔网格中实现运动求解的海洋浮标水动力特性的分析，相比于传统的非耦合或准静态的分析方法，能够在保证计算效率的同时提供更准确的水动力特性分析结果。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

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，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；