一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法
2024-01-18 12:16:15 1
一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，屬於船閘水動力學【技術領域】。該方法基於「船舶—水流」間的耦合動力響應，建立船舶運動控制方程及縱向和橫向受力方程。然後利用FLUENT流體計算平臺，藉助用戶自定義函數（UDF）編制閘室船舶系纜力並行計算程序，通過建立船閘整體輸水系統三維數學模型實現閘室船舶系纜力數值模擬。本發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，可應用於船閘輸水非恆定過程閘室船舶系纜力的研究分析，從而解決了目前過於依賴於費時費力的物理模型試驗為研究手段的問題。
【專利說明】一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於船閘水動力學【技術領域】，涉及一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法。
【背景技術】
[0002]閘室船舶的停泊安全一直是船閘設計與管理最為關注的問題，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，首先需考慮作用於過閘船舶錨泊系統上的水動力荷載。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」稱合動力響應問題，即船閘灌洩水時，閘室船舶錨泊系統將受水流作用，同時船體隨閘室水位的升降而作上下運動，反過來船體的運動狀態必然引起船舶周圍流場、壓力等參數的變化。對於船舶與水體間的稱合動力響應研究，有不少學者做過相關工作，如海上工作平臺在波浪作用下的動力響應、浮體和系泊浮體在波浪作用下的動力響應、高速水流衝擊浮體的運動響應、錨泊在港的船舶系纜力計算等。以上研究大多集中在波浪環境下浮體與流體間耦合作用的動力響應，這與船閘輸水過程「船舶一水流」間的耦合動力響應差異較大。原因在於，一方面船閘輸水時閘室內水位、流速都隨時間變化而變化，船舶將受非恆定流作用；另一方面，船舶在閘室中的運動屬大位移問題，且運動區域為限制性水域。因此，將已有的關於流固耦合動力響應研究方法直接運用於閘室船舶的系纜力計算存在較大困難。
[0003]Jong等研究了閘室內湧浪對船舶的水動力作用及船舶的運動響應，並根據研究成果開發了閘室內船舶縱向力的計算程序，該程序假定了船舶所受縱向力是由三個分力的疊力口，即推進波、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，但該方程僅適用於某一特定的船閘輸水系統。Natale等針對閘門開孔的輸水系統、環形廊道輸水系統以及閘牆長廊道側支孔輸水系統，得出了閘室船舶含兩個自由度的振動方程。由於該方程考慮了錨泊系統的阻尼係數，但未給出係數的具體取值。Stockstill通過物理模型試驗，分析討論了係數的計算公式，並建立了閘室系泊船舶的振動方程。限於閘室船舶受力過程的複雜性，上述振動方程的建立均假設了船舶浮力始終與重力平衡，這與船舶實際運動過程不相符。此外，船舶橫向受力亦是閘室停泊條件的重要研究內容，但上述振動方程只考慮了船舶的縱向受力。
[0004]限於船閘輸水過程閘室船舶系纜力數值計算的諸多困難，目前主要採用物理模型試驗和現場原型觀測方法，這需消耗大量的人力和物力，且研究成果的精度受試驗條件及尺度效應的影響。因此，急需一種能夠高效、準確模擬船閘輸水過程閘室船舶系纜力的數值計算方法。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本發明的目的在於提供一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，該方法基於「船舶一水流」間的耦合動力響應，建立船舶運動控制方程及縱向和橫向受力方程；利用FLUENT流體計算平臺，藉助用戶自定義函數(UDF)編制閘室船舶系纜力並行計算程序，通過建立船閘整體輸水系統三維數學模型實現閘室船舶系纜力數值模擬。
[0006]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0007]—種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，包括以下步驟:步驟一:繪製船閘輸水系統三維幾何模型，並對該模型採用分塊四面體和六面體混合網格進行剖分，定義邊界類型，輸出*.mesh文件；步驟二:將步驟一中輸出的mesh文件導入流體計算平臺FLUENT中，進行網格檢查和調整、三維紊流和兩相流模型的選取、設定參考壓力、重力作用以及水的材質、定義初始相和第二相；步驟三:根據閘室船舶系纜力物理模型試驗邊界條件，同時基於「船舶一水流」耦合動力響應，通過對船舶在平面上受水流作用力、縱向和前橫向及後橫向系纜力的受力平衡分析，建立受力方程組；通過牛頓第二運動定律建立船舶升降運動控制方程；步驟四:通過用戶自定義函數UDF定義工作閥門的動態啟閉方式、船舶系纜力的計算程序及其運動控制程序、引航道的壓力邊界；步驟五:通過FLUENT軟體提供的Compiled UDFs面板對定義好的UDF進行編譯，以動態連接到Fluent求解器上；步驟六:通過FLUENT軟體提供的動網格模塊，進行動網格方案選取及其參數設置，閥門和船舶運動邊界的運動屬性設置；步驟七:定義其他邊界條件；步驟八:採用控制體積法對紊流偏微分控制方程組進行離散化，得到代數方程組並利用以上邊界條件進行封閉；步驟九:選擇代數方程組的求解算法、對計算域進行初始化、設定時間步長，利用FLUENT求解器對流場計算域內的代數方程組反覆進行迭代計算，直到滿足所設定的迭代精度為止，完成船閘輸水過程的閘室船舶系纜力數值模擬，同時實時輸出每一時間步內的船舶位移、運動速度和船舶系纜力計算成果。
[0008]進一步，在步驟一中，定義的邊界類型包括:1)上引航道進口或下引航道出口、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動邊界，將與運動邊界相關聯的廊道左右邊壁及閥門井邊壁定義為變形面；3)船舶表面定義為運動邊界。
[0009]進一步，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船舶質心的力矩方程。
[0010]進一步，在步驟四中具體包括:1)根據工作閥門的啟閉速度，使用Fluent Inc.提供的預定義宏DEFINE_CG_M0T10N進行定義；2)船舶系纜力的計算及其運動控制同樣使用預定義宏DEFINE_CG_M0T10N進行定義，根據剖分的船體表面網格，採用數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船舶質心所產生的力矩，然後將計算出的水流作用力代入步驟三中所建立的三個受力方程，求出縱向和前橫向及後橫向系纜力；進行船舶升降運動控制時，為避免因船舶運動速度的過快而導致網格在重構時出現負體積，計算過程中對船舶運動速度及其運動方向上的水流作用力進行時均化處理，將整個計算時間劃分為若干個運動時段，在每個運動時段內均作勻速運動，當前時段內的速度大小為上一時段內的速度值與作時均處理後的速度變化值之代數和；3)根據沿水深的靜水壓力分布，使用預定義宏DEFINE_PROFILE定義引航道的壓力邊界。
[0011]進一步，在步驟六中選用的動網格方案為彈簧光順法和局部網格重構法，將閥門運動邊界和相關的變形面分別設定為剛體運動和變形類型，同時閥門運動邊界運動屬性設置為步驟四中I)定義的UDF ;將船舶運動邊界設定為剛體運動類型，且運動屬性設置為步驟四中2)定義的UDF。
[0012]進一步，步驟七具體包括:對於灌水過程，引航道進口邊界設置為步驟四中3)定義的m)F，兩側閥門井採用空氣壓力進口，閘室採用空氣壓力出口 ；對於洩水過程，引航道出口邊界設置為步驟四中3)定義的UDF,兩側閥門井採用空氣壓力出口，閘室採用空氣壓力進口 ；其餘邊界均定義為無滑移的固壁邊界。
[0013]本發明的有益效果在於:本發明所述方法基於「船舶一水流」間的耦合動力響應，建立船舶運動控制方程及縱向和橫向受力方程。利用FLUENT流體計算平臺，藉助用戶自定義函數(UDF)編制閘室船舶系纜力並行計算程序，通過建立船閘整體輸水系統三維數學模型進行閘室船舶系纜力數值模擬，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]下面對本發明的理論模型進行說明。
[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動為六自由度問題。而停靠在閘室中的船舶，恐在水流作用下發生撞牆、翻滾等海損事故，需通過纜繩將其繫於浮式繫船柱上以束縛船舶在水平面上的平動和沿豎向的轉動。船舶受到纜繩的約束後僅剩下三個自由度，即縱搖、橫搖以及沿豎向的平動。一般而言，閘室水面波動在輸水系統設計時需考慮一定的控制，因此縱搖和橫搖並不明顯，而參與最為顯著的運動為沿水面升降的平動過程。為簡化計算，建立船舶的受力方程時，只考慮船舶沿豎向平動過程的「船舶一水流」耦合動力響應。
[0017]船閘輸水時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(含靜水壓力和動水壓力)和粘滯力來描述。在發明過程中，為更好地實現對數值計算結果的驗證，本發明採用的船舶約束邊界條件與物理模型試驗裝置一致。邊界約束力包括縱向約束力、前橫向和後橫向約束力。在此需說明的是，由於這三種約束力與船舶受纜繩的拉力作用效果相當，因而在模型實試驗中通常將縱向約束力、前橫向和後橫向約束力分別視為縱向系纜力、前橫向和後橫向系纜力。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和後橫向系纜力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心時，則同時產生相`應的力矩Mpy和Mvy。水流作用力的計算如下:
【權利要求】
1.一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟一:繪製船閘輸水系統三維幾何模型，並對該模型採用分塊四面體和六面體混合網格進行剖分，定義邊界類型，輸出*.mesh文件； 步驟二:將步驟一中輸出的mesh文件導入流體計算平臺FLUENT中，進行網格檢查和調整、三維紊流和兩相流模型的選取、設定參考壓力、重力作用以及水的材質、定義初始相和第二相； 步驟三:根據閘室船舶系纜力物理模型試驗邊界條件，同時基於「船舶一水流」耦合動力響應，通過對船舶在平面上受水流作用力、縱向和前橫向及後橫向系纜力的受力平衡分析，建立受力方程組；通過牛頓第二運動定律建立船舶升降運動控制方程； 步驟四:通過用戶自定義函數UDF定義工作閥門的動態啟閉方式、船舶系纜力的計算程序及其運動控制程序、引航道的壓力邊界； 步驟五:通過FLUENT軟體提供的CompiledUDFs面板對定義好的UDF進行編譯，以動態連接到Fluent求解器上； 步驟六:通過FLUENT軟體提供的動網格模塊， 進行動網格方案選取及其參數設置，閥門和船舶運動邊界的運動屬性設置； 步驟七:定義其他邊界條件； 步驟八:採用控制體積法對紊流偏微分控制方程組進行離散化，得到代數方程組並利用以上邊界條件進行封閉； 步驟九:選擇代數方程組的求解算法、對計算域進行初始化、設定時間步長，利用FLUENT求解器對流場計算域內的代數方程組反覆進行迭代計算，直到滿足所設定的迭代精度為止，完成船閘輸水過程的閘室船舶系纜力數值模擬，同時實時輸出每一時間步內的船舶位移、運動速度和船舶系纜力計算成果。
2.根據權利要求1所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，其特徵在於:在步驟一中，定義的邊界類型包括:1)上引航道進口或下引航道出口、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動邊界，將與運動邊界相關聯的廊道左右邊壁及閥門井邊壁定義為變形面；3)船舶表面定義為運動邊界。
3.根據權利要求2所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，其特徵在於: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船舶質心的力矩方程。
4.根據權利要求3所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，其特徵在於:在步驟四中具體包括:1)根據工作閥門的啟閉速度，使用Fluent Inc.提供的預定義宏DEFINE_CG_MOTION進行定義；2)船舶系纜力的計算及其運動控制同樣使用預定義宏DEFINE_CG_MOTION進行定義，根據剖分的船體表面網格，採用數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船舶質心所產生的力矩，然後將計算出的水流作用力代入步驟三中所建立的三個受力方程，求出縱向和前橫向及後橫向系纜力；進行船舶升降運動控制時，為避免因船舶運動速度的過快而導致網格在重構時出現負體積，計算過程中對船舶運動速度及其運動方向上的水流作用力進行時均化處理，將整個計算時間劃分為若干個運動時段，在每個運動時段內均作勻速運動，當前時段內的速度大小為上一時段內的速度值與作時均處理後的速度變化值之代數和；3)根據沿水深的靜水壓力分布，使用預定義宏DEFINE_PROFILE定義引航道的壓力邊界。
5.根據權利要求4所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，其特徵在於:在步驟六中選用的動網格方案為彈簧光順法和局部網格重構法，將閥門運動邊界和相關的變形面分別設定為剛體運動和變形類型，同時閥門運動邊界運動屬性設置為步驟四中I)定義的UDF ;將船舶運動邊界設定為剛體運動類型，且運動屬性設置為步驟四中2)定義的UDF。
6.根據權利要求5所述的一種船閘閘室船舶系纜力的數值模擬方法，其特徵在於:步驟七具體包括:對於灌水過程，引航道進口邊界設置為步驟四中3)定義的UDF，兩側閥門井採用空氣壓力進口，閘室採用空氣壓力出口 ；對於洩水過程，引航道出口邊界設置為步驟四中3)定義的UDF，兩側閥門井採用空氣壓力出口，閘室採用空氣壓力進口 ；其餘邊界均定義為無滑移的固壁邊界。
【文檔編號】G06F19/00GK103729565SQ201410012269
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】陳明, 陳明棟, 宣國祥, 楊勝發 申請人:重慶交通大學