一种波浪对结构物作用的模拟分析方法与流程

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种波浪对结构物作用的模拟分析方法。

背景技术：

海岸结构物常被用来抵御外海波浪的冲击，并通过反射消能和紊动消能等形式削减波浪对掩护区域的破坏作用，保护海岸及沿岸设施与生命安全。结构物水动力性能及结构物附近的流场变化特性分析，一直是研究海岸结构物安全性和稳定性的重要内容。近年来，随着计算流体力学数值模拟技术的不断成熟，精确性和可靠性的不断提高，数值模拟逐渐成为分析波浪与结构物相互作用的有效手段。对一般模拟波浪与结构物的相互作用而言，具有单相流(水)模型和两相流(空气+水)模型。传统单相流模型通常不考虑空气的作用，通过在结构物表面设置边界条件，求解空间离散后模拟过程中各时刻的速度和压力，实现流体与结构物的相互作用模拟。单相流模型能够较好的预测波浪的水动力特性，且计算快速、计算稳定性高。但当波浪冲击结构物时，有时会在结构物周围形成封闭腔室，如波浪在开孔沉箱结构上的爬高，波浪对透空式结构物底板的冲击等。在封闭腔室内，需要考虑空气压缩变化对水体运动的影响。单相流模型因不考虑空气作用，无法有效实现封闭腔室内流体运动的准确模拟。双相流模型虽然考虑了腔室内空气变化对水体运动的影响，但计算时间长、计算成本高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种波浪对结构物作用的模拟分析方法，能够显著提高计算效率，节约计算成本。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种波浪对结构物作用的模拟分析方法，包括如下步骤：

步骤(1)，建立波浪数值水槽，模拟波浪与结构物相互作用；

步骤(2)，根据波浪对结构物的作用特征，设置压力更新条件，所述设置压力更新条件为判断波浪对结构物作用形成的腔室是否封闭；并标记持续封闭次数i＝0；

步骤(3)，求解得到模拟过程中各时刻波浪水质点的速度和压力；

步骤(4)，判断所形成的腔室是否封闭，满足腔室封闭条件时，持续封闭次数i＝i+1，执行步骤(5)；不满足腔室封闭条件时，i＝0，执行步骤(6)；

步骤(5)，判断i是否大于1；若否，计算此封闭时刻t腔室内封闭气体体积vt+1，执行步骤(6)；若是，计算t+i时刻腔室内封闭气体体积为vt+i，利用常温下理想气体状态方程pt+ivt+i＝pvt+1，求解t+i时刻腔室内封闭气体压力pt+i；利用压力pt+i更新封闭腔室内自由表面压力，再利用更新后的压力更新计算域内水质点速度，执行步骤(6)；其中p为每次初始封闭时刻腔室内封闭气体压力，一般选取1个标准大气压；

步骤(6)，判断是否满足时间终止条件t>tend，若满足，则结束计算；若不满足，t＝t+△t，返回执行步骤(3)。

进一步的技术方案，所述波浪数值水槽的建立是通过处理边界条件实现的。

进一步的技术方案，所述模拟过程中各时刻水质点的速度和压力，是利用所建立的波浪数值水槽和求解navier-stokes方程得到。

进一步的技术方案，所述设置压力更新条件还能够判断空气是否被压缩。

进一步的技术方案，所述vt+i通过积分腔室内空气体积获得。

本发明的有益效果为：本发明以传统单相流模型为基础，根据波浪冲击结构物时形成腔室的特点，考虑波浪在腔室内的运动特征，引入理想气体状态方程和腔室封闭条件判断标准，计算得到腔室封闭时刻的腔室内空气压力，更新腔室内自由表面压力，可以更加真实的模拟波浪在结构物附近的波面特征和流场特性，因计算过程仍然属于单相流模型计算，能够较大程度提高计算效率，节约计算成本。

附图说明

图1为本发明所述波浪对结构物作用的模拟分析方法流程图；

图2为本发明所述开孔沉箱结构示意图；

图3为传统单相流模型模拟结果图；

图4为本发明模拟结果图；

图5为数值模拟结果与试验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种波浪对结构物作用的模拟分析方法，包括如下步骤：

步骤(1)，处理边界条件，建立波浪数值水槽，在波浪数值水槽中进行波浪与结构物相互作用模拟；

步骤(2)，根据波浪对结构物的作用特征，设置压力更新条件，即判断结构物所形成的腔室是否封闭或者空气是否被压缩，本实施例优选判断结构物所形成的腔室是否封闭；并标记持续封闭次数i＝0；

步骤(3)，利用建立的波浪数值水槽和n-s方程(navier-stokes，纳维-斯托克斯方程)，求解得到模拟过程中各时刻波浪水质点的速度和压力；

步骤(4)，判断所形成的腔室是否封闭，满足腔室封闭条件时，持续封闭次数i＝i+1，执行步骤(5)；不满足腔室封闭条件时，i＝0，执行步骤(6)；

步骤(5)，判断i是否大于1，当i≤1时，计算此封闭时刻t腔室内封闭气体体积vt+1(通过积分腔室内空气体积获得)，执行步骤(6)；当i＞1时，计算t+i时刻腔室内封闭气体体积为vt+i(通过积分腔室内空气体积获得)，基于常温下理想气体状态方程pv＝c(常数)，本发明中的理想气体状态方程为pt+ivt+i＝pvt+1，求解t+i时刻腔室内封闭气体压力pt+i；利用压力pt+i更新封闭腔室内自由表面压力(即利用压力pt+i更新水气交界面压力)，再利用更新后的压力更新计算域内水质点速度，执行步骤(6)；其中p为初始封闭时刻腔室内封闭气体压力(一般选取1个标准大气压)；

步骤(6)，判断是否满足时间终止条件t>tend，若满足，则结束计算；若不满足，t＝t+δt，返回执行步骤(3)。

本实施中结构物以开孔沉箱结构为例，具体描述波浪对开孔沉箱结构作用的模拟分析方法，具体如下：

开孔沉箱结构因消浪室的存在(图2)，波浪通过开孔前墙进入消浪室内，利用消浪室内外波浪相位差和消浪室内水体的紊动耗能，能够有效降低结构反射系数、波浪力和越浪量。波峰作用于开孔沉箱时，波浪沿开孔沉箱开孔前墙爬高，将爬高高度记为hi(i＝1，2，…n)，开孔前墙最高开孔位置记为hm；当h1>hm时，判定消浪室处于封闭状态，记录为每次封闭状态的初始时刻t1＝t，计算t1时刻消浪室内空气体积为vt+1；当t2＝t+δt，波浪继续爬高，h2>hm，消浪室仍处于封闭状态，计算此时消浪室内空气体积为vt+2，利用理想气体状态方程求得压力pt+2，更新封闭腔室内自由表面压力，再利用自由表面压力更新计算域内流体速度；当ti＝t+(i-1)δt时，爬高结束，开孔前墙前的水体落回水槽过程中，如消浪室仍然满足封闭条件，即hi>hm，继续执行计算t+i时刻消浪室内的空气体积vt+i和压力pt+i，更新封闭腔室内自由表面压力，再利用更新后的压力更新计算域内流体速度；直到hn<hm，不满足消浪室封闭条件，不再执行压力更新。一个周期结束，继续执行下一个周期，重复上述判断过程，直到满足终止条件。

波浪与开孔沉箱相互作用的单相流模型模拟结果和本发明的模拟结果如图3-4所示，模拟结果与试验结果的对比，见图5。

从图3和图4中可以看出：传统单相流模型(图3)，因忽略了消浪室内的空气存在，水体近乎充满整个消浪室。而当本发明执行压力更新后，消浪室内考虑了空气的存在(图4)，自由表面与消浪室顶部存在空腔。图5为单相流模型模拟结果、本发明模拟结果与试验结果对比，可以发现：单相流模型模拟结果与试验结果存在偏差；本发明模拟结果与试验结果接近一致，本发明可以有效的模拟水体在消浪室内的运动。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。