CN106053016A - 一种推板造随机波的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种推板造随机波的方法，包括如下步骤：（1）建立波浪数值水槽，（2）在水槽的造波端Xmin添加一块具有一定厚度的可移动推板，在末端添加多孔介质作为消波结构；（3）获取随机波参数；（4）判断是否第一次造随机波；（5）生成随机的初相位；（6）根据获取的dum5值判断计算P‑M谱还是Jonswap谱；（7）计算此时的波长L；（8）计算Jonswap谱；（9）依据线性系统理论计算频率响应函数；（10）根据以上计算的初相位值、谱函数值、频率响应函数，依照线性波的叠加理论计算推板的位移速度，根据该推板速度控制推板运动即可生成随机波。本发明所公开的推板造随机波的方法，在末端添加多孔介质作为消波结构，解决了封闭边界计算域内的造波水体体积上涨的问题，能够采用封闭边界数值水槽即可模拟封闭港池的水质交换，应用范围广泛。

Description

一种推板造随机波的方法
技术领域
本发明涉及波浪数值仿真模拟领域，具体的说涉及该领域内的一种推板造随机波的方法。
背景技术
近年来在波浪数值模拟领域中，随机波的模拟越来越成为一大热点。目前对于随机波的模拟，一般采用模拟靶谱的方法完成，把工程中实际测量到的有效波高(Hs)和周期(T)等参数带入某一特定形式的海浪谱(如Jonswap谱)中，得到海浪谱的靶谱，根据该靶谱模拟随机波及波谱与靶谱一致的随机波。
现有技术中实现随机波模拟的方法具有一定的局限性，具体的说，在利用P-M谱生成随机波时，P-M谱的公式为：其中为谱峰处的角频率；U10是海面上空10米的风速；g是重力加速度；α＝0.0081是换算因子；在利用Jonswap谱生成随机波时，Jonswap谱的公式为：其中F为风区长度，γ为强化峰值因子，1≤γ≤7，通常γ＝3.3，在ω≤ωp时，σ＝0.07，在ω≥ωp时，σ＝0.09。
采用这两种公式输入的参数是风区长度、风速和峰值系数等，而在实际工作中这些参数并不好测量，同时这些参数也不利于在实验条件下使用，而有效波高(Hs)和平均周期(T)等参数则在实际工作中比较好测量。这些公式都是适用于深水波的公式，并没有考虑在有限水深的情况下对海浪谱的影响。
此外，由于造波算法的限制，用于波浪数值模拟的数值水槽的末端一般采用开边界(outflow)，如果采用封闭的边界(wall)会导致计算域内的水体体积快速上涨，从而影响计算的准确性，不能采用封闭边界就不能模拟封闭港池的水质交换，应用范围较窄。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种采用封闭边界数值水槽的推板造随机波的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种推板造随机波的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)建立波浪数值水槽，设置波浪数值水槽最左边的边界条件即造波端为Xmin、波浪数值水槽最右边的边界条件即末端为Xmax、波浪数值水槽最前边的边界条件为Ymin、波浪数值水槽最后边的边界条件为Ymax、波浪数值水槽最底边的边界条件为Zmin和大气压Zmax；
(2)在水槽的造波端Xmin添加一块具有一定厚度的可移动推板，在末端添加多孔介质作为消波结构；
(3)获取以下的随机波参数：有效波高dum1，平均周期dum2，水深dum3，频率区间划分的节点dum4，dum5大于1时为Jonswap谱的最大频率、小于1时为P-M谱两端省略的频率比例；在dum5大于1时，还需要获得dum6和dum7，其中dum6指Jonswap谱的最小频率，dum7指Jonswap的升峰因子；
(4)判断是否第一次造随机波，如果是则执行步骤(5)；如果不是则执行步骤(10)；
(5)生成随机的初相位；
(6)根据获取的dum5值判断计算P-M谱还是Jonswap谱，如果dum5的值大于1则执行步骤(7)，否则执行步骤(8)；
(7)计算此时的波长L，如果水深H/波长L小于0.5，则为有限水深，需要根据公式计算深度因子，如果水深H/波长L大于0.5，则为深水区域，深度因子为1；
(8)根据公式计算Jonswap谱，其中最终谱函数的值为s(f)与深度因子的乘积；或者根据公式计算P-M谱；
(9)依据线性系统理论计算频率响应函数
(10)根据以上计算的初相位值、谱函数值、频率响应函数，依照线性波的叠加理论计算推板的位移对位移求导即可得到推板的速度，根据该推板速度控制推板运动即可生成随机波。
进一步的，在步骤(1)中，大气压Zmax为一个标准大气压。
进一步的，在步骤(3)中，dum5的值大于1时为3—4倍的谱峰频率。
进一步的，在步骤(4)中设置静态变量，在没有造随机波时该静态变量的值为0，在第一次造随机波后该静态变量的值为非0，在该静态变量的值为0时执行步骤(5)，非0则执行步骤(10)。
进一步的，在步骤(7)中，利用弥散关系得到波长其中T为周期、k为波数，d为水深，通过迭代计算即可得到波长L。
进一步的，步骤(5)中生成的初相位，步骤(8)中计算所得的谱函数，步骤(9)中计算所得的频率响应函数值均以静态变量的形式保存。
进一步的，所述的方法可以在flow3d软件中运行实现。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的推板造随机波的方法，在末端添加多孔介质作为消波结构，解决了封闭边界计算域内的造波水体体积上涨的问题，能够采用封闭边界数值水槽即可模拟封闭港池的水质交换，应用范围广泛。
使用在实际工作中容易获得的有效波高(Hs)和平均周期(T)作为输入的随机波参数，更加符合工作现场实际，使用方便。
考虑到了水深变化对深度因子的影响，使波浪数值模拟结果更加精确；判断是否第一次造随机波，并把一些关键变量以静态变量的形式储存，可以减小每一个时间步长的计算量，缩短进行波浪数值模拟的时间。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开的推板造随机波的方法流程示意图；
图2是本发明实施例1步骤(100)-(200)中建立的波浪数值水槽的侧面结构示意图；
图3是本发明实施例1步骤(100)-(200)中建立的波浪数值水槽的顶面结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种推板造随机波的方法，包括如下步骤：
步骤100，建立波浪数值水槽，设置波浪数值水槽最左边的边界条件即造波端为Xmin、波浪数值水槽最右边的边界条件即末端为Xmax、波浪数值水槽最前边的边界条件为Ymin、波浪数值水槽最后边的边界条件为Ymax、波浪数值水槽最底边的边界条件为Zmin和一个标准大气压Zmax；
步骤200，在水槽的造波端Xmin添加一块具有一定厚度的可移动推板1，在末端添加多孔介质4作为消波结构，建立好的波浪数值水槽如图2，图3所示，其中2是静水面，3是预留的可移动推板1的运动区域；
步骤300，获取以下的随机波参数：有效波高dum1，平均周期dum2，水深dum3，频率区间划分的节点dum4，dum5大于1时为Jonswap谱的最大频率(通常为3—4倍的谱峰频率)、小于1时为P-M谱两端省略的频率比例；在dum5大于1时，还需要获得dum6和dum7，其中dum6指Jonswap谱的最小频率，dum7指Jonswap的升峰因子；
步骤400，判断是否第一次造随机波，如果是则执行步骤500；如果不是则执行步骤1000；作为一种可供选择的方式，可以在该步骤中设置静态变量，在没有造随机波时该静态变量的值为0，在第一次造随机波后该静态变量的值为非0，在该静态变量的值为0时执行步骤500，非0则执行步骤1000。
步骤500，生成随机的初相位；
步骤600，根据获取的dum5值判断计算P-M谱还是Jonswap谱，如果dum5的值大于1则执行步骤700，否则执行步骤800；
步骤700，计算此时的波长L，利用弥散关系得到波长其中T为周期、k为波数，d为水深，通过迭代计算即可得到波长L。如果水深H/波长L小于0.5，则为有限水深，需要根据公式计算深度因子，如果水深H/波长L大于0.5，则为深水区域，深度因子为1；
步骤800，根据公式计算Jonswap谱，其中最终谱函数的值为s(f)与深度因子的乘积；或者根据公式计算P-M谱；
步骤900，依据线性系统理论计算频率响应函数
步骤1000，根据以上计算的初相位值、谱函数值、频率响应函数值，依照线性波的叠加理论计算推板的位移对位移求导即可得到推板的速度，根据该推板速度控制推板运动即可生成随机波。
作为一种可供选择的方式，在上述的步骤(5)中生成的初相位，步骤(8)中计算所得的谱函数，步骤(9)中计算所得的频率响应函数值均以静态变量的形式保存。
上述的方法可以在flow3d软件中运行实现，具体包括如下步骤：
步骤1：通过flow3d的二次开发接口将计算推板运动速度的代码编译进flow3d。
步骤2：在flow3d中建立波浪数值水槽，设置6个方向的边界条件为：Xmin、Xmax、Ymin、Ymax、Zmin均为Wall(墙)，Zmax为Specified pressure(指定压力为大气压)。
步骤3：在上一步建立好的波浪数值水槽中，在造波端(Xmin)添加一块具有一定厚度的板，并将板设置为Prescribed Motion(描述运动的物体)；在水槽的末端添加多孔介质作为消波处理。
步骤4：在Edit simulation中的&xput通过flow3d提供的输入变量的接口(dum1，dum2，dum3，……，dumn)输入随机波参数，其中，dum1表示有效波高；dum2表示平均周期；dum3表示水深；dum4频率区间划分的节点；dum5表示最大频率(Jonswap)或者谱两端省略的频率的比例(P—M谱)；dum6表示最小的频率(Jonswap)；dum7表示Jonswap的升峰因子。
步骤5：运行flow3d进行模拟，模拟过程中每一个时间步都会调用步骤1中的代码。
步骤6：根据代码中已经设置好的静态变量(isfirst)，判断是否是第一次调用该代码(isfirst是否等于0)。如果是，则修改该静态变量(isfirst修改为任意非0的数值)，并执行步骤7；如果不是，则执行步骤13。
步骤7：生成随机的初相位并以静态变量的形式保存。
步骤8：根据用户输入的dum5的数值判断计算P-M谱还是Jonswap谱，如果dum5的数值小于1则为P-M谱，如果dum5的值为大于1则为Jonswap谱(此时表示为最大的频率，为保证模拟的精度，根据相关资料，建议此数值为3～4倍的谱峰频率)。如果dum5的值大于1则执行步骤9，否则执行步骤11
步骤9：计算此时的波长L，利用弥散关系得到波长其中T为周期、k为波数，d为水深，通过迭代计算即可得到波长L。并判断此时的水深/波长是否小于0.5，及是否为有限水深波。如果是则执行步骤10，如果不是则执行步骤11。
步骤10：根据公式计算深度因子。深度因子在深水波的情况时默认为1；
步骤11：根据以上步骤的结果和输入的参数，利用公式计算Jonswap谱，其中或者根据公式计算P-M谱；如果计算Jonswap谱，计算的最终的谱函数的值为S(f)与深度因子的乘积。计算的谱函数的以静态变量的形式保存。
步骤12：依据线性系统理论计算频率响应函数并且以静态变量的形式保存；
步骤13：根据以上计算的初相位值、谱函数值、频率响应函数值、依照线性波的叠加理论计算推波板的位移
对位移求导即可得到推波板的速度。
步骤14：将计算的推波板速度返回给flow3d求解器，在flow3d中即可根据得到的推波板的速度控制推波板的运动，从而生成随机波。

Claims (7)

1.一种推板造随机波的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立波浪数值水槽，设置波浪数值水槽最左边的边界条件即造波端为Xmin、波浪数值水槽最右边的边界条件即末端为Xmax、波浪数值水槽最前边的边界条件为Ymin、波浪数值水槽最后边的边界条件为Ymax、波浪数值水槽最底边的边界条件为Zmin和大气压Zmax；
(2)在水槽的造波端Xmin添加一块具有一定厚度的可移动推板，在末端添加多孔介质作为消波结构；
(3)获取以下的随机波参数：有效波高dum1，平均周期dum2，水深dum3，频率区间划分的节点dum4，dum5大于1时为Jonswap谱的最大频率、小于1时为P-M谱两端省略的频率比例；在dum5大于1时，还需要获得dum6和dum7，其中dum6指Jonswap谱的最小频率，dum7指Jonswap的升峰因子；
(4)判断是否第一次造随机波，如果是则执行步骤(5)；如果不是则执行步骤(10)；
(5)生成随机的初相位；
(6)根据获取的dum5值判断计算P-M谱还是Jonswap谱，如果dum5的值大于1则执行步骤(7)，否则执行步骤(8)；
(7)计算此时的波长L，如果水深H/波长L小于0.5，则为有限水深，需要根据公式计算深度因子，如果水深H/波长L大于0.5，则为深水区域，深度因子为1；
(8)根据公式计算Jonswap谱，其中最终谱函数的值为s(f)与深度因子的乘积；或者根据公式计算P-M谱；
(9)依据线性系统理论计算频率响应函数
(10)根据以上计算的初相位值、谱函数值、频率响应函数值，依照线性波的叠加理论计算推板的位移对位移求导即可得到推板的速度，根据该推板速度控制推板运动即可生成随机波。
2.根据权利要求1所述的推板造随机波的方法，其特征在于：在步骤(1)中，大气压Zmax为一个标准大气压。
3.根据权利要求1所述的推板造随机波的方法，其特征在于：在步骤(3)中，dum5的值大于1时为3—4倍的谱峰频率。
4.根据权利要求1所述的推板造随机波的方法，其特征在于：在步骤(4)中设置静态变量，在没有造随机波时该静态变量的值为0，在第一次造随机波后该静态变量的值为非0，在该静态变量的值为0时执行步骤(5)，非0则执行步骤(10)。
5.根据权利要求1所述的推板造随机波的方法，其特征在于：在步骤(7)中，利用弥散关系得到波长其中T为周期、k为波数，d为水深，通过迭代计算即可得到波长L。
6.根据权利要求1所述的推板造随机波的方法，其特征在于：步骤(5)中生成的初相位，步骤(8)中计算所得的谱函数，步骤(9)中计算所得的频率响应函数均以静态变量的形式保存。
7.根据权利要求1所述的推板造随机波的方法，其特征在于：所述的方法可以在flow3d软件中运行实现。
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