专利名称：一种柔性网衣对水流影响的三维数值模拟方法
技术领域：
本发明属于水产养殖工程、水利工程和海洋工程技术领域，特别涉及到一种水流作用过程中柔性网衣对水流影响的三维数值模拟方法。
背景技术：
在深水网箱养殖过程中，箱内水体的流动与鱼类生长密切相关。箱内水体的流速大小决定了网箱内部水体的交换速度，对箱内水质环境影响显著，因此网衣的减流作用备受关注；在网衣受力计算中，网衣的减流效应同样受到关注，诸多研究表明，网衣的受力一般与流速的二次方成正比，即使存在较小的流速差异，也可能导致较大的受力误差，因此在网衣的受力计算中，网衣对流速的衰减效应不可忽略；目前在养殖区，利用板网式防波提来减流、消波也被广泛使用，利用网衣来减小养殖区流速是防波提减流工作的主要工作原理.目前，国内外利用物理模型试验方法作为开展网衣减流行为的主要研究手段。由于网衣是特种海洋工程结构物，它完全不同于通常用于港口、海上油田等海工结构物，具有大变形、柔性、多孔的特点，物理模型试验模拟成本高、用时长，同时由于目前观测技术的限制，很难给出网衣全流域附近的整体流场情况。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是，提供一种可模拟网衣在水流中的变形以及网衣周围流速的大小和方向的柔性网衣对水流影响的三维数值模拟方法。一种柔性网衣对水流影响的三维数值模拟方法，包括以下步骤A、网衣变形计算对于网衣变形的模拟，采用集中质量的方法；假定网衣是由有限的无质量弹簧连接的集中质量点所构成，通过计算集中质量点在水流和边界条件作用下的位移，来得到网的形状；所述的集中质量点设于每个网目目脚的两端和中间；为了简化计算，假定目脚两端的集中质量点形状为圆形，其水动力系数在运动方向上是恒定的；因目脚可以看作为圆柱形杆，所以设于目脚中间的集中质量点应该具有圆柱的水动力性质，其水动力系数是有方向性的，和水流的相对速度运动方向有关；目脚上集中质量点代表圆柱单元，对于作用其上水流力的分析，这里采用建立局部坐标系(τ，η，ξ)的方法；在网衣目脚上建立局部坐标(τ，η，ξ)，τ轴方向为圆柱形杆的轴线方向，Π轴位于τ轴和流速V组成的平面内并与τ轴垂直；建立整体坐标即将坐标原点固定在水面，χ轴方向与水流同向，ζ轴沿水深垂直向上，y轴位于χ轴和ζ轴组成的平面内并与ζ轴垂直；整体坐标下，集中质量点i到1、2点的单位矢量为en和ei2，τ , η, ξ轴单位矢量为Θτ = (χ τ, y τ, ζ τ), e n = (xn, yn, zn), θξ = (χξ, γξ, ζξ)局部坐标和整体坐标转换矩阵为
在局部坐标系下目脚i所受水流作用力，根据莫里森公式如下Fdi = - YPCdiS \τ - eT - V |(f - βτ - V )
Fdji = - yPC Dt!S \η - βη - V 1(7/ - βη - V)(2)
_5] F ξ = - Ι-pC ΒξΞ \ξ I (ξ )式中 -ετ·ν， -βη·ν，ι为局部坐标系下的三个方向上的相对速度；集中质量点间的张力可由公式T = Ci2ClS Q得到；C。C2为构件材料弹性系数， 对于系数CpC2的选取，可根据网线的材质不同，参照Gerhard Klust编著的《纤维绳索》拟合而得；利用转换矩阵[C]可将局部坐标上的力转为整体坐标下的力，因此各个集中质量点上的外力都可求出，整体坐标系下的集中质量点的运动微分方程为
权利要求
1. 一种柔性网衣对水流影响的三维数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤 A、网衣变形计算对于网衣变形的模拟，采用集中质量的方法；假定网衣是由有限的无质量弹簧连接的集中质量点所构成，通过计算集中质量点在水流和边界条件作用下的位移，来得到网的形状；所述的集中质量点设于每个网目目脚的两端和中间；为了简化计算，假定目脚两端的集中质量点形状为圆形，其水动力系数在运动方向上是恒定的；因目脚可以看作为圆柱形杆，所以设于目脚中间的集中质量点应该具有圆柱的水动力性质，其水动力系数是有方向性的，和水流的相对速度运动方向有关；目脚上集中质量点代表圆柱单元，对于作用其上水流力的分析，这里采用建立局部坐标系(τ，η，ξ)的方法；在网衣目脚上建立局部坐标(τ，η, ξ), τ轴方向为圆柱形杆的轴线方向，Π轴位于τ轴和流速V组成的平面内并与τ轴垂直；建立整体坐标即将坐标原点固定在水面，X轴方向与水流同向，ζ轴沿水深垂直向上， y轴位于X轴和Z轴组成的平面内并与Z轴垂直；整体坐标下，集中质量点i到1、2点的单位矢量为 en 禾口 ei2，τ , η , ξ 轴单位矢量为 θτ = (χτ, y τ, ζ τ), en = (χη, y η, ζ η), eξ = (χξ, γξ, ζξ)局部坐标和整体坐标转换矩阵为
全文摘要
本发明公开了一种柔性网衣对水流影响的三维数值模拟方法，包括网衣变形计算和网衣周围流场计算。网衣周围流场计算又包括控制方程的确定、多孔介质系数计算、边界条件及网格划分和数值计算。本发明采用集中质量的方法模拟网衣在水流中的变形，同时利用Realizable k-ε湍流模型，结合多孔介质模型来模拟网衣周围三维流场；采用本方法可以同时获得水流作用下网衣的变形同时得到网衣周围的三维流场情况；根据我们的物理试验验证发现数值模拟得到的流场结果与实际吻合(最大相对误差在5％以内)，数值模拟的计算时间在5个小时以内；本发明较好的解决了目前网衣周围流场计算测量中成本高、用时长、无法给出三维整体流场的问题。
文档编号G06F17/50GK102332040SQ20111020906
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者毕春伟, 董国海, 赵云鹏 申请人:大连理工大学