一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，屬于船閘水動(dòng)力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法基于“船舶—水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)，建立船舶運(yùn)動(dòng)控制方程及縱向和橫向受力方程。然后利用FLUENT流體計(jì)算平臺(tái)，借助用戶自定義函數(shù)（UDF）編制閘室船舶系纜力并行計(jì)算程序，通過建立船閘整體輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)閘室船舶系纜力數(shù)值模擬。本發(fā)明提出的系纜力模擬方法具有良好的精度，為快速、方便獲取閘室船舶的系纜力提供了可能，可應(yīng)用于船閘輸水非恒定過程閘室船舶系纜力的研究分析，從而解決了目前過于依賴于費(fèi)時(shí)費(fèi)力的物理模型試驗(yàn)為研究手段的問題。
【專利說明】一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船閘水動(dòng)力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]閘室船舶的停泊安全一直是船閘設(shè)計(jì)與管理最為關(guān)注的問題，而衡量船舶停泊條件的好壞，通常以船舶系纜力的大小予以判斷。研究閘室船舶系纜力，首先需考慮作用于過閘船舶錨泊系統(tǒng)上的水動(dòng)力荷載。船閘輸水過程中閘室船舶與水體間的相互作用系“浮體-水流”稱合動(dòng)力響應(yīng)問題，即船閘灌泄水時(shí)，閘室船舶錨泊系統(tǒng)將受水流作用，同時(shí)船體隨閘室水位的升降而作上下運(yùn)動(dòng)，反過來船體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必然引起船舶周圍流場、壓力等參數(shù)的變化。對(duì)于船舶與水體間的稱合動(dòng)力響應(yīng)研究，有不少學(xué)者做過相關(guān)工作，如海上工作平臺(tái)在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)、浮體和系泊浮體在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)、高速水流沖擊浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、錨泊在港的船舶系纜力計(jì)算等。以上研究大多集中在波浪環(huán)境下浮體與流體間耦合作用的動(dòng)力響應(yīng)，這與船閘輸水過程“船舶一水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)差異較大。原因在于，一方面船閘輸水時(shí)閘室內(nèi)水位、流速都隨時(shí)間變化而變化，船舶將受非恒定流作用；另一方面，船舶在閘室中的運(yùn)動(dòng)屬大位移問題，且運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)橄拗菩运?。因此，將已有的關(guān)于流固耦合動(dòng)力響應(yīng)研究方法直接運(yùn)用于閘室船舶的系纜力計(jì)算存在較大困難。
[0003]Jong等研究了閘室內(nèi)涌浪對(duì)船舶的水動(dòng)力作用及船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并根據(jù)研究成果開發(fā)了閘室內(nèi)船舶縱向力的計(jì)算程序，該程序假定了船舶所受縱向力是由三個(gè)分力的疊力口，即推進(jìn)波、均勻流和集中灌水形成的射流。Kalkwijk建立了閘室船舶在水平面上的受力方程，但該方程僅適用于某一特定的船閘輸水系統(tǒng)。Natale等針對(duì)閘門開孔的輸水系統(tǒng)、環(huán)形廊道輸水系統(tǒng)以及閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，得出了閘室船舶含兩個(gè)自由度的振動(dòng)方程。由于該方程考慮了錨泊系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，但未給出系數(shù)的具體取值。Stockstill通過物理模型試驗(yàn)，分析討論了系數(shù)的計(jì)算公式，并建立了閘室系泊船舶的振動(dòng)方程。限于閘室船舶受力過程的復(fù)雜性，上述振動(dòng)方程的建立均假設(shè)了船舶浮力始終與重力平衡，這與船舶實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程不相符。此外，船舶橫向受力亦是閘室停泊條件的重要研究內(nèi)容，但上述振動(dòng)方程只考慮了船舶的縱向受力。
[0004]限于船閘輸水過程閘室船舶系纜力數(shù)值計(jì)算的諸多困難，目前主要采用物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場原型觀測方法，這需消耗大量的人力和物力，且研究成果的精度受試驗(yàn)條件及尺度效應(yīng)的影響。因此，急需一種能夠高效、準(zhǔn)確模擬船閘輸水過程閘室船舶系纜力的數(shù)值計(jì)算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，該方法基于“船舶一水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)，建立船舶運(yùn)動(dòng)控制方程及縱向和橫向受力方程；利用FLUENT流體計(jì)算平臺(tái)，借助用戶自定義函數(shù)(UDF)編制閘室船舶系纜力并行計(jì)算程序，通過建立船閘整體輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)閘室船舶系纜力數(shù)值模擬。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟:步驟一:繪制船閘輸水系統(tǒng)三維幾何模型，并對(duì)該模型采用分塊四面體和六面體混合網(wǎng)格進(jìn)行剖分，定義邊界類型，輸出*.mesh文件；步驟二:將步驟一中輸出的mesh文件導(dǎo)入流體計(jì)算平臺(tái)FLUENT中，進(jìn)行網(wǎng)格檢查和調(diào)整、三維紊流和兩相流模型的選取、設(shè)定參考?jí)毫?、重力作用以及水的材質(zhì)、定義初始相和第二相；步驟三:根據(jù)閘室船舶系纜力物理模型試驗(yàn)邊界條件，同時(shí)基于“船舶一水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)，通過對(duì)船舶在平面上受水流作用力、縱向和前橫向及后橫向系纜力的受力平衡分析，建立受力方程組；通過牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律建立船舶升降運(yùn)動(dòng)控制方程；步驟四:通過用戶自定義函數(shù)UDF定義工作閥門的動(dòng)態(tài)啟閉方式、船舶系纜力的計(jì)算程序及其運(yùn)動(dòng)控制程序、引航道的壓力邊界；步驟五:通過FLUENT軟件提供的Compiled UDFs面板對(duì)定義好的UDF進(jìn)行編譯，以動(dòng)態(tài)連接到Fluent求解器上；步驟六:通過FLUENT軟件提供的動(dòng)網(wǎng)格模塊，進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格方案選取及其參數(shù)設(shè)置，閥門和船舶運(yùn)動(dòng)邊界的運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置；步驟七:定義其他邊界條件；步驟八:采用控制體積法對(duì)紊流偏微分控制方程組進(jìn)行離散化，得到代數(shù)方程組并利用以上邊界條件進(jìn)行封閉；步驟九:選擇代數(shù)方程組的求解算法、對(duì)計(jì)算域進(jìn)行初始化、設(shè)定時(shí)間步長，利用FLUENT求解器對(duì)流場計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿足所設(shè)定的迭代精度為止，完成船閘輸水過程的閘室船舶系纜力數(shù)值模擬，同時(shí)實(shí)時(shí)輸出每一時(shí)間步內(nèi)的船舶位移、運(yùn)動(dòng)速度和船舶系纜力計(jì)算成果。
[0008]進(jìn)一步，在步驟一中，定義的邊界類型包括:1)上引航道進(jìn)口或下引航道出口、閥門井以及閘室頂面定義為壓力邊界；2)工作閥門的壁面定義為運(yùn)動(dòng)邊界，將與運(yùn)動(dòng)邊界相關(guān)聯(lián)的廊道左右邊壁及閥門井邊壁定義為變形面；3)船舶表面定義為運(yùn)動(dòng)邊界。
[0009]進(jìn)一步，步驟三中建立的受力方程組包括縱向和橫向受力方程以及對(duì)船舶質(zhì)心的力矩方程。
[0010]進(jìn)一步，在步驟四中具體包括:1)根據(jù)工作閥門的啟閉速度，使用Fluent Inc.提供的預(yù)定義宏DEFINE_CG_M0T10N進(jìn)行定義；2)船舶系纜力的計(jì)算及其運(yùn)動(dòng)控制同樣使用預(yù)定義宏DEFINE_CG_M0T10N進(jìn)行定義，根據(jù)剖分的船體表面網(wǎng)格，采用數(shù)值積分方法分別求出船舶受縱向、橫向以及沿水深方向的水壓力和粘滯力及其對(duì)船舶質(zhì)心所產(chǎn)生的力矩，然后將計(jì)算出的水流作用力代入步驟三中所建立的三個(gè)受力方程，求出縱向和前橫向及后橫向系纜力；進(jìn)行船舶升降運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，為避免因船舶運(yùn)動(dòng)速度的過快而導(dǎo)致網(wǎng)格在重構(gòu)時(shí)出現(xiàn)負(fù)體積，計(jì)算過程中對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)速度及其運(yùn)動(dòng)方向上的水流作用力進(jìn)行時(shí)均化處理，將整個(gè)計(jì)算時(shí)間劃分為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段內(nèi)均作勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)前時(shí)段內(nèi)的速度大小為上一時(shí)段內(nèi)的速度值與作時(shí)均處理后的速度變化值之代數(shù)和；3)根據(jù)沿水深的靜水壓力分布，使用預(yù)定義宏DEFINE_PROFILE定義引航道的壓力邊界。
[0011]進(jìn)一步，在步驟六中選用的動(dòng)網(wǎng)格方案為彈簧光順法和局部網(wǎng)格重構(gòu)法，將閥門運(yùn)動(dòng)邊界和相關(guān)的變形面分別設(shè)定為剛體運(yùn)動(dòng)和變形類型，同時(shí)閥門運(yùn)動(dòng)邊界運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置為步驟四中I)定義的UDF ;將船舶運(yùn)動(dòng)邊界設(shè)定為剛體運(yùn)動(dòng)類型，且運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置為步驟四中2)定義的UDF。
[0012]進(jìn)一步，步驟七具體包括:對(duì)于灌水過程，引航道進(jìn)口邊界設(shè)置為步驟四中3)定義的m)F，兩側(cè)閥門井采用空氣壓力進(jìn)口，閘室采用空氣壓力出口 ；對(duì)于泄水過程，引航道出口邊界設(shè)置為步驟四中3)定義的UDF,兩側(cè)閥門井采用空氣壓力出口，閘室采用空氣壓力進(jìn)口 ；其余邊界均定義為無滑移的固壁邊界。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述方法基于“船舶一水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)，建立船舶運(yùn)動(dòng)控制方程及縱向和橫向受力方程。利用FLUENT流體計(jì)算平臺(tái)，借助用戶自定義函數(shù)(UDF)編制閘室船舶系纜力并行計(jì)算程序，通過建立船閘整體輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行閘室船舶系纜力數(shù)值模擬，為快速、方便獲取閘室船舶的系纜力提供了一種高效可行的方法。
[0014]下面對(duì)本發(fā)明的理論模型進(jìn)行說明。
[0015]I)船舶縱向和橫向受力方程
[0016]在不受任何邊界約束的情況下，船舶在自由面上的運(yùn)動(dòng)為六自由度問題。而?？吭陂l室中的船舶，恐在水流作用下發(fā)生撞墻、翻滾等海損事故，需通過纜繩將其系于浮式系船柱上以束縛船舶在水平面上的平動(dòng)和沿豎向的轉(zhuǎn)動(dòng)。船舶受到纜繩的約束后僅剩下三個(gè)自由度，即縱搖、橫搖以及沿豎向的平動(dòng)。一般而言，閘室水面波動(dòng)在輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一定的控制，因此縱搖和橫搖并不明顯，而參與最為顯著的運(yùn)動(dòng)為沿水面升降的平動(dòng)過程。為簡化計(jì)算，建立船舶的受力方程時(shí)，只考慮船舶沿豎向平動(dòng)過程的“船舶一水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)。
[0017]船閘輸水時(shí)閘室船舶將受到水流和邊界約束的共同作用。其中，水流作用力可通過水壓力(含靜水壓力和動(dòng)水壓力)和粘滯力來描述。在發(fā)明過程中，為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證，本發(fā)明采用的船舶約束邊界條件與物理模型試驗(yàn)裝置一致。邊界約束力包括縱向約束力、前橫向和后橫向約束力。在此需說明的是，由于這三種約束力與船舶受纜繩的拉力作用效果相當(dāng)，因而在模型實(shí)試驗(yàn)中通常將縱向約束力、前橫向和后橫向約束力分別視為縱向系纜力、前橫向和后橫向系纜力。由此，便可得出船舶在水平面(XZ平面)上的受力情況(如圖1 (a)所示):船舶受到縱向系纜力Fl、前橫向系纜力Fn和后橫向系纜力Ft2、縱向水壓力Fpx和橫向水壓力Fp`z、縱向粘滯力Fvx和橫向粘滯力Fvz。若將水流作用力均移至船舶質(zhì)心時(shí)，則同時(shí)產(chǎn)生相`應(yīng)的力矩Mpy和Mvy。水流作用力的計(jì)算如下:
【權(quán)利要求】
1.一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:繪制船閘輸水系統(tǒng)三維幾何模型，并對(duì)該模型采用分塊四面體和六面體混合網(wǎng)格進(jìn)行剖分，定義邊界類型，輸出*.mesh文件； 步驟二:將步驟一中輸出的mesh文件導(dǎo)入流體計(jì)算平臺(tái)FLUENT中，進(jìn)行網(wǎng)格檢查和調(diào)整、三維紊流和兩相流模型的選取、設(shè)定參考?jí)毫Α⒅亓ψ饔靡约八牟馁|(zhì)、定義初始相和第二相； 步驟三:根據(jù)閘室船舶系纜力物理模型試驗(yàn)邊界條件，同時(shí)基于“船舶一水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)，通過對(duì)船舶在平面上受水流作用力、縱向和前橫向及后橫向系纜力的受力平衡分析，建立受力方程組；通過牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律建立船舶升降運(yùn)動(dòng)控制方程； 步驟四:通過用戶自定義函數(shù)UDF定義工作閥門的動(dòng)態(tài)啟閉方式、船舶系纜力的計(jì)算程序及其運(yùn)動(dòng)控制程序、引航道的壓力邊界； 步驟五:通過FLUENT軟件提供的CompiledUDFs面板對(duì)定義好的UDF進(jìn)行編譯，以動(dòng)態(tài)連接到Fluent求解器上； 步驟六:通過FLUENT軟件提供的動(dòng)網(wǎng)格模塊， 進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格方案選取及其參數(shù)設(shè)置，閥門和船舶運(yùn)動(dòng)邊界的運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置； 步驟七:定義其他邊界條件； 步驟八:采用控制體積法對(duì)紊流偏微分控制方程組進(jìn)行離散化，得到代數(shù)方程組并利用以上邊界條件進(jìn)行封閉； 步驟九:選擇代數(shù)方程組的求解算法、對(duì)計(jì)算域進(jìn)行初始化、設(shè)定時(shí)間步長，利用FLUENT求解器對(duì)流場計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿足所設(shè)定的迭代精度為止，完成船閘輸水過程的閘室船舶系纜力數(shù)值模擬，同時(shí)實(shí)時(shí)輸出每一時(shí)間步內(nèi)的船舶位移、運(yùn)動(dòng)速度和船舶系纜力計(jì)算成果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，其特征在于:在步驟一中，定義的邊界類型包括:1)上引航道進(jìn)口或下引航道出口、閥門井以及閘室頂面定義為壓力邊界；2)工作閥門的壁面定義為運(yùn)動(dòng)邊界，將與運(yùn)動(dòng)邊界相關(guān)聯(lián)的廊道左右邊壁及閥門井邊壁定義為變形面；3)船舶表面定義為運(yùn)動(dòng)邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，其特征在于:步驟三中建立的受力方程組包括縱向和橫向受力方程以及對(duì)船舶質(zhì)心的力矩方程。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，其特征在于:在步驟四中具體包括:1)根據(jù)工作閥門的啟閉速度，使用Fluent Inc.提供的預(yù)定義宏DEFINE_CG_MOTION進(jìn)行定義；2)船舶系纜力的計(jì)算及其運(yùn)動(dòng)控制同樣使用預(yù)定義宏DEFINE_CG_MOTION進(jìn)行定義，根據(jù)剖分的船體表面網(wǎng)格，采用數(shù)值積分方法分別求出船舶受縱向、橫向以及沿水深方向的水壓力和粘滯力及其對(duì)船舶質(zhì)心所產(chǎn)生的力矩，然后將計(jì)算出的水流作用力代入步驟三中所建立的三個(gè)受力方程，求出縱向和前橫向及后橫向系纜力；進(jìn)行船舶升降運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，為避免因船舶運(yùn)動(dòng)速度的過快而導(dǎo)致網(wǎng)格在重構(gòu)時(shí)出現(xiàn)負(fù)體積，計(jì)算過程中對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)速度及其運(yùn)動(dòng)方向上的水流作用力進(jìn)行時(shí)均化處理，將整個(gè)計(jì)算時(shí)間劃分為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段內(nèi)均作勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)前時(shí)段內(nèi)的速度大小為上一時(shí)段內(nèi)的速度值與作時(shí)均處理后的速度變化值之代數(shù)和；3)根據(jù)沿水深的靜水壓力分布，使用預(yù)定義宏DEFINE_PROFILE定義引航道的壓力邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，其特征在于:在步驟六中選用的動(dòng)網(wǎng)格方案為彈簧光順法和局部網(wǎng)格重構(gòu)法，將閥門運(yùn)動(dòng)邊界和相關(guān)的變形面分別設(shè)定為剛體運(yùn)動(dòng)和變形類型，同時(shí)閥門運(yùn)動(dòng)邊界運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置為步驟四中I)定義的UDF ;將船舶運(yùn)動(dòng)邊界設(shè)定為剛體運(yùn)動(dòng)類型，且運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置為步驟四中2)定義的UDF。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數(shù)值模擬方法，其特征在于:步驟七具體包括:對(duì)于灌水過程，引航道進(jìn)口邊界設(shè)置為步驟四中3)定義的UDF，兩側(cè)閥門井采用空氣壓力進(jìn)口，閘室采用空氣壓力出口 ；對(duì)于泄水過程，引航道出口邊界設(shè)置為步驟四中3)定義的UDF，兩側(cè)閥門井采用空氣壓力出口，閘室采用空氣壓力進(jìn)口 ；其余邊界均定義為無滑移的固壁邊界。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103729565SQ201410012269
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】陳明, 陳明棟, 宣國祥, 楊勝發(fā) 申請人:重慶交通大學(xué)