CN103729565A - 一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，属于船闸水动力学技术领域。该方法基于“船舶—水流”间的耦合动力响应，建立船舶运动控制方程及纵向和横向受力方程。然后利用FLUENT流体计算平台，借助用户自定义函数（UDF）编制闸室船舶系缆力并行计算程序，通过建立船闸整体输水系统三维数学模型实现闸室船舶系缆力数值模拟。本发明提出的系缆力模拟方法具有良好的精度，为快速、方便获取闸室船舶的系缆力提供了可能，可应用于船闸输水非恒定过程闸室船舶系缆力的研究分析，从而解决了目前过于依赖于费时费力的物理模型试验为研究手段的问题。

Description

一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法

技术领域

本发明属于船闸水动力学技术领域，涉及一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法。

背景技术

闸室船舶的停泊安全一直是船闸设计与管理最为关注的问题，而衡量船舶停泊条件的好坏，通常以船舶系缆力的大小予以判断。研究闸室船舶系缆力，首先需考虑作用于过闸船舶锚泊系统上的水动力荷载。船闸输水过程中闸室船舶与水体间的相互作用系“浮体-水流”耦合动力响应问题，即船闸灌泄水时，闸室船舶锚泊系统将受水流作用，同时船体随闸室水位的升降而作上下运动，反过来船体的运动状态必然引起船舶周围流场、压力等参数的变化。对于船舶与水体间的耦合动力响应研究，有不少学者做过相关工作，如海上工作平台在波浪作用下的动力响应、浮体和系泊浮体在波浪作用下的动力响应、高速水流冲击浮体的运动响应、锚泊在港的船舶系缆力计算等。以上研究大多集中在波浪环境下浮体与流体间耦合作用的动力响应，这与船闸输水过程“船舶—水流”间的耦合动力响应差异较大。原因在于，一方面船闸输水时闸室内水位、流速都随时间变化而变化，船舶将受非恒定流作用；另一方面，船舶在闸室中的运动属大位移问题，且运动区域为限制性水域。因此，将已有的关于流固耦合动力响应研究方法直接运用于闸室船舶的系缆力计算存在较大困难。

Jong等研究了闸室内涌浪对船舶的水动力作用及船舶的运动响应，并根据研究成果开发了闸室内船舶纵向力的计算程序，该程序假定了船舶所受纵向力是由三个分力的叠加，即推进波、均匀流和集中灌水形成的射流。Kalkwijk建立了闸室船舶在水平面上的受力方程，但该方程仅适用于某一特定的船闸输水系统。Natale等针对闸门开孔的输水系统、环形廊道输水系统以及闸墙长廊道侧支孔输水系统，得出了闸室船舶含两个自由度的振动方程。由于该方程考虑了锚泊系统的阻尼系数，但未给出系数的具体取值。Stockstill通过物理模型试验，分析讨论了系数的计算公式，并建立了闸室系泊船舶的振动方程。限于闸室船舶受力过程的复杂性，上述振动方程的建立均假设了船舶浮力始终与重力平衡，这与船舶实际运动过程不相符。此外，船舶横向受力亦是闸室停泊条件的重要研究内容，但上述振动方程只考虑了船舶的纵向受力。

限于船闸输水过程闸室船舶系缆力数值计算的诸多困难，目前主要采用物理模型试验和现场原型观测方法，这需消耗大量的人力和物力，且研究成果的精度受试验条件及尺度效应的影响。因此，急需一种能够高效、准确模拟船闸输水过程闸室船舶系缆力的数值计算方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，该方法基于“船舶—水流”间的耦合动力响应，建立船舶运动控制方程及纵向和横向受力方程；利用FLUENT流体计算平台，借助用户自定义函数（UDF）编制闸室船舶系缆力并行计算程序，通过建立船闸整体输水系统三维数学模型实现闸室船舶系缆力数值模拟。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，包括以下步骤：步骤一：绘制船闸输水系统三维几何模型，并对该模型采用分块四面体和六面体混合网格进行剖分，定义边界类型，输出*.mesh文件；步骤二：将步骤一中输出的mesh文件导入流体计算平台FLUENT中，进行网格检查和调整、三维紊流和两相流模型的选取、设定参考压力、重力作用以及水的材质、定义初始相和第二相；步骤三：根据闸室船舶系缆力物理模型试验边界条件，同时基于“船舶—水流”耦合动力响应，通过对船舶在平面上受水流作用力、纵向和前横向及后横向系缆力的受力平衡分析，建立受力方程组；通过牛顿第二运动定律建立船舶升降运动控制方程；步骤四：通过用户自定义函数UDF定义工作阀门的动态启闭方式、船舶系缆力的计算程序及其运动控制程序、引航道的压力边界；步骤五：通过FLUENT软件提供的Compiled UDFs面板对定义好的UDF进行编译，以动态连接到Fluent求解器上；步骤六：通过FLUENT软件提供的动网格模块，进行动网格方案选取及其参数设置，阀门和船舶运动边界的运动属性设置；步骤七：定义其他边界条件；步骤八：采用控制体积法对紊流偏微分控制方程组进行离散化，得到代数方程组并利用以上边界条件进行封闭；步骤九：选择代数方程组的求解算法、对计算域进行初始化、设定时间步长，利用FLUENT求解器对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度为止，完成船闸输水过程的闸室船舶系缆力数值模拟，同时实时输出每一时间步内的船舶位移、运动速度和船舶系缆力计算成果。

进一步，在步骤一中，定义的边界类型包括：1）上引航道进口或下引航道出口、阀门井以及闸室顶面定义为压力边界；2）工作阀门的壁面定义为运动边界，将与运动边界相关联的廊道左右边壁及阀门井边壁定义为变形面；3）船舶表面定义为运动边界。

进一步，步骤三中建立的受力方程组包括纵向和横向受力方程以及对船舶质心的力矩方程。

进一步，在步骤四中具体包括：1）根据工作阀门的启闭速度，使用Fluent Inc.提供的预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义；2）船舶系缆力的计算及其运动控制同样使用预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义，根据剖分的船体表面网格，采用数值积分方法分别求出船舶受纵向、横向以及沿水深方向的水压力和粘滞力及其对船舶质心所产生的力矩，然后将计算出的水流作用力代入步骤三中所建立的三个受力方程，求出纵向和前横向及后横向系缆力；进行船舶升降运动控制时，为避免因船舶运动速度的过快而导致网格在重构时出现负体积，计算过程中对船舶运动速度及其运动方向上的水流作用力进行时均化处理，将整个计算时间划分为若干个运动时段，在每个运动时段内均作匀速运动，当前时段内的速度大小为上一时段内的速度值与作时均处理后的速度变化值之代数和；3）根据沿水深的静水压力分布，使用预定义宏DEFINE_PROFILE定义引航道的压力边界。

进一步，在步骤六中选用的动网格方案为弹簧光顺法和局部网格重构法,将阀门运动边界和相关的变形面分别设定为刚体运动和变形类型，同时阀门运动边界运动属性设置为步骤四中1）定义的UDF；将船舶运动边界设定为刚体运动类型，且运动属性设置为步骤四中2）定义的UDF。

进一步，步骤七具体包括：对于灌水过程，引航道进口边界设置为步骤四中3）定义的UDF，两侧阀门井采用空气压力进口，闸室采用空气压力出口；对于泄水过程，引航道出口边界设置为步骤四中3）定义的UDF，两侧阀门井采用空气压力出口，闸室采用空气压力进口；其余边界均定义为无滑移的固壁边界。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法基于“船舶—水流”间的耦合动力响应，建立船舶运动控制方程及纵向和横向受力方程。利用FLUENT流体计算平台，借助用户自定义函数（UDF）编制闸室船舶系缆力并行计算程序，通过建立船闸整体输水系统三维数学模型进行闸室船舶系缆力数值模拟，为快速、方便获取闸室船舶的系缆力提供了一种高效可行的方法。

下面对本发明的理论模型进行说明。

1）船舶纵向和横向受力方程

在不受任何边界约束的情况下，船舶在自由面上的运动为六自由度问题。而停靠在闸室中的船舶，恐在水流作用下发生撞墙、翻滚等海损事故，需通过缆绳将其系于浮式系船柱上以束缚船舶在水平面上的平动和沿竖向的转动。船舶受到缆绳的约束后仅剩下三个自由度，即纵摇、横摇以及沿竖向的平动。一般而言，闸室水面波动在输水系统设计时需考虑一定的控制，因此纵摇和横摇并不明显，而参与最为显著的运动为沿水面升降的平动过程。为简化计算，建立船舶的受力方程时，只考虑船舶沿竖向平动过程的“船舶—水流”耦合动力响应。

船闸输水时闸室船舶将受到水流和边界约束的共同作用。其中，水流作用力可通过水压力（含静水压力和动水压力）和粘滞力来描述。在发明过程中，为更好地实现对数值计算结果的验证，本发明采用的船舶约束边界条件与物理模型试验装置一致。边界约束力包括纵向约束力、前横向和后横向约束力。在此需说明的是，由于这三种约束力与船舶受缆绳的拉力作用效果相当，因而在模型实试验中通常将纵向约束力、前横向和后横向约束力分别视为纵向系缆力、前横向和后横向系缆力。由此，便可得出船舶在水平面（XZ平面）上的受力情况（如图1（a）所示）：船舶受到纵向系缆力F_L、前横向系缆力F_T1和后横向系缆力F_T2、纵向水压力F_px和横向水压力F_pz、纵向粘滞力F_vx和横向粘滞力F_vz。若将水流作用力均移至船舶质心时，则同时产生相应的力矩M_py和M_vy。水流作用力的计算如下：

$F_{\mathrm{px}}=\underset{A_s}{\∫}{p}_x\mathrm{dS},F_{\mathrm{pz}}=\underset{A_s}{\∫}{p}_z\mathrm{dS},F_{\mathrm{vx}}=\underset{A_s}{\∫}{\mathrm{\τ}}_x\mathrm{dS},F_{\mathrm{vz}}=\underset{A_s}{\∫}{\mathrm{\τ}}_z\mathrm{dS}---\left(1\right)$

$M_{\mathrm{py}}=M_o\left(F_{\mathrm{px}}\right)+M_o\left(F_{\mathrm{pz}}\right)=\underset{A_s}{\∫}{p}_x(z-z_0)\mathrm{dS}+\underset{A_s}{\∫}{p}_z(x_0-x)\mathrm{dS}---\left(2\right)$

$M_{\mathrm{vy}}=M_o\left(F_{\mathrm{vx}}\right)+M_o\left(F_{\mathrm{vz}}\right)=\underset{A_s}{\∫}{\mathrm{\τ}}_x(z-z_0)\mathrm{dS}+\underset{A_s}{\∫}{\mathrm{\τ}}_z(x_0-x)\mathrm{dS}---\left(3\right)$

式中，p_x、p_z分别为船舶任意表面上的水压力在x、z方向上的分量；A_s为船舶表面；τ_x、τ_z分别为船舶任意表面上的粘滞应力在x、z方向上的分量；(x₀,y₀,z₀)为船舶质心坐标；(x,y,z)为船舶表面上任意一点坐标。

根据船舶在XZ平面上的受力平衡，可建立以下表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{px}}+F_{\mathrm{vx}}+F_L=0\\ F_{\mathrm{pz}}+F_{\mathrm{vz}}+F_{T1}+F_{T2}=0\\ F_{T1}(x_0-x_1)+F_{T2}(x_0-x_2)+M_{\mathrm{py}}+M_{\mathrm{vy}}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

在上式（4）中，水流作用力可根据剖分的船体网格采用数值积分求出，则仅剩三个未知数，即纵向系缆力F_L、前横向系缆力F_T1和后横向系缆力F_T2。因此，通过方程组便可求出船舶所受的纵、横向系缆力。

2）船舶运动控制方程

船闸输水时，船舶必然随闸室水位的变化而升降，如闸室水位上升，则船舶浸水面积加大，势必引起船体所受浮力增加，从而打破原有平衡状态或改变原有加速度。因此，船舶总体上沿竖向（y方向）做变加速的升降运动。由于船舶与立柱间的摩擦力较小，在本发明中可忽略不计，由此可作出船舶在竖直方向上的受力图（如图1（b）所示）。根据牛顿第二运动定律，可建立相应的运动控制方程：

$F_{\mathrm{py}}+F_{\mathrm{vy}}-{m_{s}g=m}_s\stackrel{\·}{v}\left(t\right)---\left(5\right)$

式中，和

分别为水压力和粘滞力在y方向上的分量；m_s为船舶质量；g为重力加速度；v(t)为t时刻船舶运动速度；p_y和τ_y分别为船舶任意表面上的水压力和粘滞应力在y方向上的分量；其余符号同上。

为避免因船舶运动速度的过快而导致网格在重构时出现负体积，计算过程中对船舶运动速度及其运动方向上的水流作用力进行时均化处理，即将整个计算时间划分为若干个运动时段，在每个运动时段内均作匀速运动，当前时段内的速度大小为上一时段内的速度值与作时均处理后的速度变化值之代数和，其计算公式见式（6）。

$v_s^i=v_s^{i-1}+\frac{\underset{j=1}{\overset{k_s}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{pyj}}^{i-1}+F_{\mathrm{vyj}}^{i-1})/k_s-m_{s}g}{m_s}\mathrm{\Δt}---\left(6\right)$

式中，

和

分别为当前和上一时段内的船舶运动速度，i＝1,2…ns；ns为运动时段总数，ns＝tt/k_s；tt为总时间步数；k_s为每一运动时段内的时间步数；

和

分别为上一时段内第j个时间步水压力和粘滞力在船舶运动方向上的分量；Δt为时间步长；其余符号同上。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为船舶在水平面及竖直面上的受力图；

图2为本发明所述方法的流程示意图；

图3为船体表面网格；

图4为网格剖分及边界条件图；

图5为船舶运动速度变化过程线；

图6为船舶位移变化过程线；

图7为纵向系缆力计算成果图；

图8为前横向系缆力计算成果图；

图9为后横向系缆力计算成果图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的优选实施例选取船闸灌水过程的闸室船舶系缆力数值模拟，选取的船闸输水型式为带格栅消能室的短廊道集中输水系统，该船闸闸室有效尺寸为140m×14m×2.5m（长×宽×槛上最小水深），左右侧廊道对称布设，阀门最大工作水头为9m，阀门双边按7min匀速开启。结合船闸基本尺度，选择停靠于闸室中央的300t级单体船舶作为计算对象。鉴于实际船舶的体型繁多，本发明将船体进行一定的概化，其基本尺度为35.0m×9.2m×1.4m（总长×型宽×设计吃水）。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法包括9个步骤：

1.利用前处理软件GAMBIT绘制船闸输水系统三维几何模型（包括闸室内初始停泊的船舶），对其采用分块四面体和六面体混合网格进行剖分。为兼顾计算精度和减小计算量，网格剖分时将闸室区域划分成多块区域，其中在阀门段、廊道进出口区域以及船舶动区域采用非结构网格划分并进行网格加密处理，其余较规则的区域采用结构化网格进行划分，船体表面网格如图3所示。整个计算区域剖分的网格单元总数约为124万个，节点总数约为36万个，网格剖分如图4所示。定义边界类型：（1）上引航道进口、阀门井以及闸室顶面定义为压力边界；（2）工作阀门的壁面定义为运动边界，将与运动边界相关联的廊道左右边壁及阀门井边壁定义为变形面；（3）船舶表面定义为运动边界。最后输出sch.mesh文件。

2.将输出的sch.mesh文件导入流体计算平台FLUENT中，进行：（1）网格检查和调整；（2）三维紊流和水汽两相流模型分别选取为RNG k～ε紊流模型和VOF模型；（3）设定参考压力、重力作用以及水的材质；（4）定义水相初始相，气相第二相。

3.根据闸室船舶系缆力物理模型试验边界条件，同时基于“船舶—水流”耦合动力响应，通过对船舶在平面上受水流作用力、纵向和前横向及后横向系缆力的受力平衡分析，建立受力方程组（包括纵向和横向受力方程以及对船舶质心的力矩方程）；通过牛顿第二运动定律建立船舶升降运动控制方程。

4.工作阀门的动态启闭方式、船舶系缆力的计算程序及其运动控制程序、引航道的压力边界通过用户自定义函数（UDF）予以定义：（1）根据工作阀门的双边7min开启速度，使用Fluent Inc.提供的预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义；（2）船舶系缆力的计算及其运动控制同样使用预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义，具体思路是根据剖分的船体表面网格，采用数值积分方法分别求出船舶受纵向、横向以及沿水深方向（运动方向）的水压力和粘滞力及其对船舶质心所产生的力矩，然后将计算出的水流作用力代入步骤3中所建立的三个受力方程，求出纵向和前横向及后横向系缆力。进行船舶升降运动控制时，为避免因船舶运动速度的过快而导致网格在重构时出现负体积，计算过程中对船舶运动速度及其运动方向上的水流作用力进行时均化处理，即将整个计算时间划分为若干个运动时段，在每个运动时段内均作匀速运动，当前时段内的速度大小为上一时段内的速度值与作时均处理后的速度变化值之代数和。考虑不影响计算结果的精度，本发明选取每20个时间步为一个运动时段。（3）根据沿水深的静水压力分布，使用预定义宏DEFINE_PROFILE定义引航道的压力边界。

5.通过FLUENT软件提供的Compiled UDFs面板对定义好的UDF进行编译，以动态连接到Fluent求解器上。

6.通过FLUENT软件提供的动网格模块，进行动网格方案选取及其参数设置,其中动网格方案选为弹簧光顺法和局部网格重构法；将阀门运动边界和相关的变形面分别设定为刚体运动和变形类型，同时阀门运动边界的运动属性设置为步骤4（1）定义的UDF；将船舶运动边界设定为刚体运动类型，且其运动属性设置为步骤4（2）定义的UDF。

7.定义其他边界条件：引航道进口边界设置为步骤4（3）定义的UDF，两侧阀门井水体与大气相通，采用空气压力进口，闸室出流同样与大气相通，采用空气压力出口。其余边界均定义为无滑移的固壁边界，如图4所示。

8.采用控制体积法对紊流偏微分控制方程组进行离散化，得到代数方程组并利用以上边界条件进行封闭。

9.选择SIMPLEC为代数方程组的求解算法、对计算域进行初始化、设定时间步长为0.025s，利用FLUENT求解器对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度（10^-3）为止，完成船闸输水过程的闸室船舶系缆力数值模拟，同时实时输出每一时间步内的船舶位移、运动速度和船舶系缆力计算成果。为提高计算效率和缩短计算时间，在本发明中采用多处理器的工作站同时调用16个CPU进行并行计算。

计算结果：

为了说明本发明的合理性和可行性，将计算结果与物理模型试验成果进行了对比，其中试验条件与计算条件一致，物理模型比尺为1:36。

船舶运动过程

图5为计算程序记录的船舶运动速度随时间的变化情况，在整个灌水过程中船舶的运动速度基本上是处于增减的交替变化状态，即做变加速的上升运动。尽管速度的变化存在瞬态性，但从整体趋势上看是呈先增加后减小的变化特性，在船闸灌水初期和末期上升速度较慢，在灌水中期上升速度较快，其中最大值达0.0364m/s。从船舶质心竖向位移曲线与闸室水位实测变化过程线间的比较（图6）可以看出，两条曲线整体上处于平行状态，由此表明船舶上升过程与闸室水位的变化基本同步，这与船舶实际过闸过程一致。因此分析认为，通过采用动网格技术，基于“浮体—水流”耦合动力响应所提出的船舶运动数值方法是合理可行的。

船舶系缆力

图7比较了船舶纵向系缆力数值计算与实测值的过程线，由图可知，在灌水初期（0s～170s），两者的变化特性和变化幅值吻合良好，均出现了3次明显的周期性变化，且周期逐渐减小，其中在T=32s时出现了第一次波谷，计算值为-4.9kN，实测值为-4.0kN；在灌水中期（170s～395s），纵向系缆力沿F_L＝0轴上下振荡，仍然呈周期性变化且波形较为复杂；在灌水后期（395s之后），实测值主要偏向于正向值，在该时段内，尽管两者过程线的变化特性存在一定差异，但均具有逐步向零值靠拢的趋势。纵向系缆力出现上述变化特性，原因在于灌水初期闸室水位较低，水流进入闸室时容易引起闸室水面的倾斜，从而激发水面周期性的长波运动，由此引起的船舶受力主要为正向（x正向）波浪力，则船舶纵向系缆力方向自然为x负向。在灌水中期船舶受水流局部力与波浪力的共同作用，此时存在正向波和反射波的多重叠加，从而导致了船舶受到了复杂的水流作用。之后，随着输水流量的下降，闸室断面流速逐渐减小，闸室水面在纵向上以摆动为主，无明显的水力坡降，船舶受力以水流局部力为主，且正向和负向的水流作用相当。到达灌水末期，水面波动趋于平稳，水流作用力逐步向零值衰减。

图8和图9分别比较了船舶前横向和后横向系缆力的计算值与实测值的过程线，由图可知，计算得出的船舶前横向系缆力和后横向系缆力的变化曲线均基本在轴F_T＝0上下振荡，该变化特性与实测结果基本一致。在量值上，在个别时段内实测值大于计算值，其余时段两者均吻合良好。

将计算结果与模型试验结果进行对比后发现，本发明提出的系缆力模拟计算方法具有良好的精度，为快速、方便获取闸室船舶的系缆力提供了可能，可应用于船闸输水非恒定过程闸室船舶系缆力的研究分析，从而解决了目前过于依赖于费时费力的物理模型试验为研究手段的问题。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：绘制船闸输水系统三维几何模型，并对该模型采用分块四面体和六面体混合网格进行剖分，定义边界类型，输出*.mesh文件；

步骤二：将步骤一中输出的mesh文件导入流体计算平台FLUENT中，进行网格检查和调整、三维紊流和两相流模型的选取、设定参考压力、重力作用以及水的材质、定义初始相和第二相；

步骤三：根据闸室船舶系缆力物理模型试验边界条件，同时基于“船舶—水流”耦合动力响应，通过对船舶在平面上受水流作用力、纵向和前横向及后横向系缆力的受力平衡分析，建立受力方程组；通过牛顿第二运动定律建立船舶升降运动控制方程；

步骤四：通过用户自定义函数UDF定义工作阀门的动态启闭方式、船舶系缆力的计算程序及其运动控制程序、引航道的压力边界；

步骤五：通过FLUENT软件提供的CompiledUDFs面板对定义好的UDF进行编译，以动态连接到Fluent求解器上；

步骤六：通过FLUENT软件提供的动网格模块，进行动网格方案选取及其参数设置，阀门和船舶运动边界的运动属性设置；

步骤七：定义其他边界条件；

步骤八：采用控制体积法对紊流偏微分控制方程组进行离散化，得到代数方程组并利用以上边界条件进行封闭；

步骤九：选择代数方程组的求解算法、对计算域进行初始化、设定时间步长，利用FLUENT求解器对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度为止，完成船闸输水过程的闸室船舶系缆力数值模拟，同时实时输出每一时间步内的船舶位移、运动速度和船舶系缆力计算成果。

2.根据权利要求1所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：在步骤一中，定义的边界类型包括：1）上引航道进口或下引航道出口、阀门井以及闸室顶面定义为压力边界；2）工作阀门的壁面定义为运动边界，将与运动边界相关联的廊道左右边壁及阀门井边壁定义为变形面；3）船舶表面定义为运动边界。

3.根据权利要求2所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：步骤三中建立的受力方程组包括纵向和横向受力方程以及对船舶质心的力矩方程。

4.根据权利要求3所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：在步骤四中具体包括：1）根据工作阀门的启闭速度，使用Fluent Inc.提供的预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义；2）船舶系缆力的计算及其运动控制同样使用预定义宏DEFINE_CG_MOTION进行定义，根据剖分的船体表面网格，采用数值积分方法分别求出船舶受纵向、横向以及沿水深方向的水压力和粘滞力及其对船舶质心所产生的力矩，然后将计算出的水流作用力代入步骤三中所建立的三个受力方程，求出纵向和前横向及后横向系缆力；进行船舶升降运动控制时，为避免因船舶运动速度的过快而导致网格在重构时出现负体积，计算过程中对船舶运动速度及其运动方向上的水流作用力进行时均化处理，将整个计算时间划分为若干个运动时段，在每个运动时段内均作匀速运动，当前时段内的速度大小为上一时段内的速度值与作时均处理后的速度变化值之代数和；3）根据沿水深的静水压力分布，使用预定义宏DEFINE_PROFILE定义引航道的压力边界。

5.根据权利要求4所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：在步骤六中选用的动网格方案为弹簧光顺法和局部网格重构法,将阀门运动边界和相关的变形面分别设定为刚体运动和变形类型，同时阀门运动边界运动属性设置为步骤四中1）定义的UDF；将船舶运动边界设定为刚体运动类型，且运动属性设置为步骤四中2）定义的UDF。

6.根据权利要求5所述的一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法，其特征在于：步骤七具体包括：对于灌水过程，引航道进口边界设置为步骤四中3）定义的UDF，两侧阀门井采用空气压力进口，闸室采用空气压力出口；对于泄水过程，引航道出口边界设置为步骤四中3）定义的UDF，两侧阀门井采用空气压力出口，闸室采用空气压力进口；其余边界均定义为无滑移的固壁边界。

Images