CN110348171B - 基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力结果分析。相比于物理模型，本发明的优点是：数值仿真模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸，以及波浪的参数，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大的灵活性和可行性。

Description

基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立 方法

技术领域

本公开涉及仿真建模技术领域，特别是涉及基于OpenFOAM的三维海浪与负 载交互的数值仿真模型建立方法及分析系统。

背景技术

传统的关于波浪-建筑物相互作用的研究，无论是波浪正入射的情况，还是 斜波入射的情况即波浪与建筑物之间有一个相对姿态角度，都是为了沿海建筑 物如海上平台或者防波堤等等海上静止建筑物的安全性设计研究，而且建筑物 不可移动的特性使得此类研究只能考虑波浪与建筑物呈现一种类型的夹角的情 况，即认为波浪是正入射，而建筑物绕着单个轴旋转这一种情况。

但是在实际的海上起重机起重负载的过程中，起重机很容易控制负载的姿 态，即负载单独绕着不同的轴旋转，或者同时绕着多个轴旋转，这些情况是传 统的波浪-建筑物(负载)的相互作用研究没有关注过且没有解决的问题。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数 值仿真模型建立方法，数值仿真模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸， 以及波浪的参数，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大 的灵活性和可行性。

本说明书实施方式提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模 型建立方法，通过以下技术方案实现：

包括：

首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中 的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭 代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负 载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力 结果分析。

建立数值波浪水池步骤：设置数值水池的大小及网格尺寸；

利用三维海浪生成器，设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度 和垂直速度分布、利用消波技术避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响 之后入射的波浪；

设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力 以及波浪和自由面的情况；

设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单 元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网 格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；

使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得 到负载所受到的压力随时间变化的值；

在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得 到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得 到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负 载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。

进一步的技术方案，在建立模型之前首先基于OpenFOAM建立全局坐标系及 负载坐标系，负载的三个姿态角就是负载坐标系和全局坐标系之间的方位关系， 分别对应于负载的首摇、纵摇和横摇的角度。

进一步的技术方案，(O_g-X_gY_gZ_g)定义为全局坐标系，其中O_g为负载质心， O_gX_g为波浪正向传播的方向，也是数值波浪水池长度边所在的方向，O_gY_g为水 平面上数值波浪水池的宽度边所在的方向，O_gZ_g符合右手定则垂直向上；

(O_b-X_bY_bZ_b)定义为负载坐标系，其中O_b为负载质心，O_bX_b为负载的长度 边所在的方向，O_bY_b为负载的宽度边所在的方向，O_bZ_b为符合右手定则负载的高 度所指的方向。

进一步的技术方案，设置数值水池的大小及网格尺寸时，在数值波浪水池 的基础上采用OpenFOAM自带的网格生成工具blockMesh产生网格，blockMesh 是一个分块生成网格的程序，将整个计算域视为一个大块，网格密度在x、y、z 方向相等。

进一步的技术方案，计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布时， 利用Stokes一阶线性波浪理论，计算t时刻数值水池中任意一点(x,y,z)处的在 O_gX_g、O_gZ_g方向上的波浪速度。

进一步的技术方案，自由面由一个相分数α_water表示，当相分数为1时表示 当前的网格单元充满了水，为0时表明当前的网格单元充满了空气，介于0和1 之间即为水和空气的交界面；

数值水池的顶端为了防止回流现象，速度、压力和相分数需要设置为特定 的边界类型；

速度在波浪入口处，其速度、压力和相分数需要设置为指定类型，其余部 分速度均设置为固定值为零，压力和相分数全部设置为零梯度值。

进一步的技术方案，设置负载的大小和形状时，对于简单形状的负载，直 接选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除 点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一 个指定形状的负载,对于形状复杂的负载，先使用第三方的CAD制图软件画出形 状之后，然后导入到OpenFOAM之中，然后通过另外一个程序snappyHexMesh， 在产生的背景网格中将此形状生成。

进一步的技术方案，使用求解器的求解过程：首先将描述流体运动的质量 守恒方程和动量守恒方程通过在整个计算空间域和时间域上积分的方式离散成 一系列的代数方程，如此每一个微小的网格单元都有方程来描述，然后通过联 立迭代求解这些方程，得到每一个方程的近似解，然后就得到了每一个微小单 元的物理参数，然后就得到了整个波浪池的物理参数，然后更新参数并进行下 一次迭代直至迭代完成。

本说明书实施方式提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互作用的数值仿 真模型建立系统，通过以下技术方案实现：

包括：

数值水池及网格生成模块，用于设置数值水池的大小及网格尺寸；

波浪生成模块，用于设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和 垂直速度分布、利用消波技术避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之 后入射的波浪；

初始条件设置模块，用于设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的 初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；

负载生成模块，用于设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域 内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并 对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；

求解器求解模块，使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解 器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；

在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得 到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得 到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负 载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开数值仿真模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸，以及波浪的 参数，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大的灵活性和 可行性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公 开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的负载的姿态描述图；

图2为本公开实施例子的长方体形状的负载随首摇角度的受力情况分析示意 图；

图3为本公开实施例子的长方体形状的负载随纵摇角度的受力情况分析示意 图；

图4为本公开实施例子的长方体形状的负载随横摇角度的受力情况分析示意 图；

图5、图6及图7分别为本公开实施例子的长方体形状的负载随同时横摇和 首摇角度的受力情况分析示意图；

图8为本公开实施例子的长方体的负载的长度改变时负载的受力情况示意 图；

图9为本公开实施例子的改变波浪的幅值时负载的受力情况示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图 限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确 指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器 件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立 方法，具体为：

步骤一：建议坐标系，如图1所示,(O_g-X_gY_gZ_g)定义为全局坐标系，其中 O_g为负载质心位置，O_gX_g为波浪正向传播的方向，也是数值波浪水池长度边所 在的方向，O_gY_g为水平面上数值波浪水池的宽度边所在的方向，O_gZ_g符合右手定 则垂直向上。(O_b-X_bY_bZ_b)定义为负载坐标系，其中O_b为负载质心，O_bX_b为负 载的长度边所在的方向，O_bY_b为负载的宽度边所在的方向，O_bZ_b为符合右手定则 负载的高度所指的方向。负载的三个姿态角(α,β,γ)就是负载坐标系(O_b-X_bY_bZ_b) 和全局坐标系(O_g-X_gY_gZ_g)之间的方位关系，分别对应于负载的首摇、纵摇和 横摇的角度。

步骤二：数值仿真模型建立步骤：

(1)设置数值水池的大小及网格尺寸：设置数值水池的大小为长L＝15m，宽 W＝4m，高度为H＝1m。在数值波浪水池的基础上采用OpenFOAM自带的网格生成工 具blockMesh产生网格，blockMesh是一个分块生成网格的程序，本发明将整个 计算域视为一个大块，网格密度在x、y、z方向均为Δx＝Δy＝Δz＝0.04m。

(2)三维海浪生成器：

2-1)设定波浪的参数，即幅值A＝0.035m、周期T＝1.22s、波长λ＝2.2m；

2-2)计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布：

利用Stokes一阶线性波浪理论，分别根据公式(1)和(2)计算t时刻数值 水池中任意一点(x,y,z)处的在O_gX_g、O_gZ_g方向上的波浪速度，

其中，u(x,z,t)表示的是水平速度，w(x,z,t)表示垂直速度，g是重力加速 度，k是波浪数

A是波浪的幅值，ω是波浪的角频率，h是水深， h＝0.5m。

2-3)消波

为了避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪，本发 明采用了松弛区技术避免在波浪入口或者出口边界处的波浪反射问题，松弛的 方式如(4)所示，这里φ是速度U或者相分数α_water，其中φ_computed代表着当前 时间步的计算值，而φ_target表示当前计算的期望值，当φ是速度U时，期望值 为0，当φ是相分数α_water时，期望值也是0。松弛区的系数α_R的定义如(3)所 示，其中χ_R从0到1代表着从松弛区的开始到结束。

φ＝α_Rφ_computed+(1-α_R)φ_target(4)

(3)设置整个数值波浪水池的初始条件及边界条件，需要设置的初始条件 包括速度、压力以及波浪和自由面的情况，自由面由一个相分数α_water表示， 当相分数为1时表示当前的网格单元充满了水，为0时表明当前的网格单元充 满了空气，介于0和1之间即为水和空气的交界面。其中，数值水池的顶端为 了防止回流现象，速度、压力和相分数需要设置为特定的边界类型。速度在波 浪入口处，其速度、压力和相分数需要设置为指定类型。其余部分速度均设置 为固定值为零，压力和相分数全部设置为零梯度值。设置完边界条件和初始条 件之后，整个数值波浪水池每一点都有了明确的物理参数，参见表1所示，至 此一个最简单的数值波浪水池就建立完毕。

表1边界条件设置表

(4)设置负载的大小和形状。本发明采取了形状相对规则、简单的负载， 因此直接利用OpenFOAM中的toposet直接选择一个指定规则形状区域内的所有 微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区 域的所有网格指定为一个整体，如此就可以得到一个指定形状的负载。但是当 前模型也可以处理形状较为复杂、不规则的负载，面对此种情况，可以先使用 第三方的CAD制图软件画出形状之后，然后导入到OpenFOAM之中，然后通过另 外一个程序snappyHexMesh，在第一步产生的背景网格中将此形状通过一系列 操作生成。

(5)使用求解器的求解过程。首先将描述流体运动的质量守恒方程公式(5) 和动量守恒方程公式(6)通过在整个计算空间域和时间域上积分的方式离散成 一系列的代数方程，如此每一个微小的网格单元都有方程来描述，然后通过联 立迭代求解这些方程，得到每一个方程的近似解，然后就得到了每一个微小单 元的物理参数，然后就得到了整个波浪池的物理参数，然后更新参数并进行下 一次迭代直至迭代完成。

其中

表示散度运算符，

表示梯度运算符。U为速度矢量，ρ为液体的 密度，μ为动力粘度系数，g为重力加速度，p为压力值。

在联立迭代求解这些方程的过程中，有一些问题需要解决：

5-1)速度和压力的耦合问题。因为在(6)速度和压力是耦合在一起的，无 法直接求解，所以本发明采用PIMPLE算法来解决这一问题。在PIMPLE算法的 循环中,首先使用最近一步的速度和压力场迭代求解(6)，得到速度量，然后 根据速度和压力满足质量守恒方程(5)的关系来校正压力的参数，如此循环迭 代直至最终得到近似解。

5-1)相分数的迭代问题。可以通过相分数得到密度ρ和动力粘度系数μ，按 照用相分数α_water来迭代

其中ρ₁为水的密度，ρ₂为空气的密度，μ₁为水的动力粘度系数，μ₂为空气 的动力粘度系数。

而相分数α_water可以求解(8)来求得，其中U_α是相对压缩速度，此求解过 程使用了一个特殊设计的求解器MULES，这个求解器可以保证α_water的值始终 处于0和1之间。

(6)数据处理和分析方法。在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的 负载，然后进行模拟计算就能得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随 着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，然后就可以得到对应 当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，就可以 得到几个点的值，然后就能得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。

步骤三：接下来关于基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互作用的数值仿真 模型的受力分析：

3-1)长方体形状的负载随首摇角度的受力情况分析

在上述建立好的数值波浪水池中设置为一个长方体类型的负载，然后分别 对负载首摇具有七个不同的角度(0 15 30 45 60 75 90)时的情况进行模拟， 然后将得到的数据按照上述数据处理和分析方法进行处理和分析。如图2所 示，当负载首摇具有不同的角度时，负载受到的力和力矩随着首摇角的递增单 调递减，实际上负载受到的力和力矩和与波浪入射方向垂直的边的长度有关 系，长度越长，所受力和力矩越大，因此在实际的起重过程中，我们应当将负 载的短边与波浪的传播方向垂直，而非长边。

3-2)继续关于长方体形状的负载随纵摇角度的受力情况分析：

在上述建立好的数值波浪水池中设置为一个长方体类型的负载，然后分别 对负载纵摇具有七个不同的角度(0 15 30 45 60 75 90)时的情况进行模拟， 然后将得到的数据按照上述数据处理和分析方法进行处理和分析。如图3所 示，当负载的纵摇角度变化时，负载所受的力和力矩随着纵摇角的变化呈现一 个对称的趋势，而且在纵摇角为中间值即45度时得到了最小值，因此在实际的 起重过程中，负载与波浪的入射方向可以纵摇呈现一定的角度，这样可以减少 负载所受到的力，此角度为45度时最佳。

3-3)接着关于长方体形状的负载随横摇角度的受力情况分析：

在上述建立好的数值波浪水池中设置为一个长方体类型的负载，然后分别 对负载横摇具有七个不同的角度(0 15 30 45 60 75 90)时的情况进行模拟， 然后将得到的数据按照上述数据处理和分析方法进行处理和分析。在实际的起 重过程中，负载的横摇角度不可能过大，如图4所示，在相对横摇角在小于45 度的范围内，物体所受力和力矩随着姿态角变化趋势略有不同，但是综合考虑 三者的情况，负载应当尽量不要横摇。

3-4)关于长方体形状的负载随同时横摇和首摇角度的受力情况分析：

在上述建立好的数值波浪水池中设置为一个长方体类型的负载，然后分别 对负载考虑同时横摇和首摇的情况，其中横摇和首摇角均取了(0 15 30 45 60 75 90)共7个角度，一共49个不同的组合姿态角的情况，通过研究这些情况 下负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩随着姿态角的变化的情况，得到了一 些有别于单个姿态角变化的独特结论。结果分别如图5、图6及图7所示，当负 载同时首摇和横摇时，相比于之前单独首摇、横摇和纵摇的三种情况，此种情 况下有着很大的不同，不同的姿态角度之间相互影响，如水平力达到最小值对 应的两个角度，并不是上面所述情况中得到最小值的两个角度的简单叠加。而且当负载同时首摇和横摇时，相比于只首摇或者横摇的情况，负载所受的力矩 会急剧增大。因此在实际的起重过程中，尽量避免负载同时横摇和首摇的情 况。

3-5)继续分析长方体的负载的长度改变时负载的受力情况：

在上述建立好的数值波浪水池中设置为一个长方体类型的负载，分别考虑 负载的长度为五个不同的递增参数(0.5 0.75 1 1.25 1.5)时负载的受力情况。 如图8所示，随着负载长度的增加，负载所受到的水平力、垂直力和力矩均呈 现增加的趋势。

3-6)接下来，改变波浪的幅值时负载的受力情况：

在上述建立好的数值波浪水池中设置为一个长方体类型的负载，分别考虑 波浪具有五个不同的幅值(0.017,0.035,0.05,0.07,0.075)情况下负载的受力 情况。结果如图9所示，随着波浪幅值的增加，负载所收到的水平力、垂直力 和力矩均呈现增加的趋势。

本申请实施例子中，首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后 设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数如速度、压力和水平面的状况，然 后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一 步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海 浪的数值仿真和受力结果分析。相比于物理模型，本发明的优点是：数值仿真 模型可以根据要求任意设置负载的形状、尺寸，以及波浪的参数，成本更低， 模型的建立和设置也更加的灵活，因此具有很大的灵活性和可行性。

实施例子二

本说明书实施方式提供基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互作用的数值仿 真模型建立系统，通过以下技术方案实现：

包括：

数值水池及网格生成模块，用于设置数值水池的大小及网格尺寸；

波浪生成模块，用于设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和 垂直速度分布、利用消波技术避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之 后入射的波浪；

初始条件设置模块，用于设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的 初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；

负载生成模块，用于设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域 内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并 对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；

求解器求解模块，使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数；

在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得 到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得 到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负 载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。

该实施例中具体的模块的实现方式参见实施例子一中的具体内容，此处不 再进行详细的描述。

实施例子三

本说明书实施方式提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存 储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实 施例子一中的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法的 步骤。

实施例子四

本说明书实施方式提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程 序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现实施例子一中的基于OpenFOAM的 三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法的步骤。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实 施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该 实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个 实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同 的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领 域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之 内。

Claims (10)

1.基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，包括：

首先建立数值波浪水池，并设置所需要的负载，随后设置数值波浪水池中的每一点初始物理参数包括速度、压力和水平面的状况，然后通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值，最后进一步对压力积分得到负载所受的水平力、垂直力和纵摇力矩，实现负载与三维海浪的数值仿真和受力结果分析；

建立数值波浪水池步骤：设置数值水池的大小及网格尺寸；

利用三维海浪生成器，设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布、利用消波避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪；

设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；

设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；

使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；

在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。

2.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，在建立模型之前首先基于OpenFOAM建立全局坐标系及负载坐标系，负载的三个姿态角就是负载坐标系和全局坐标系之间的方位关系，分别对应于负载的首摇、纵摇和横摇的角度。

3.如权利要求2所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，(O_g-X_gY_gZ_g)定义为全局坐标系，其中O_g为负载质心，O_gX_g为波浪正向传播的方向，也是数值波浪水池长度边所在的方向，O_gY_g为水平面上数值波浪水池的宽度边所在的方向，O_gZ_g符合右手定则垂直向上；

(O_b-X_bY_bZ_b)定义为负载坐标系，其中O_b为负载质心，O_bX_b为负载的长度边所在的方向，O_bY_b为负载的宽度边所在的方向，O_bZ_b为符合右手定则负载的高度所指的方向。

4.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，设置数值水池的大小及网格尺寸时，在数值波浪水池的基础上采用OpenFOAM自带的网格生成工具blockMesh产生网格，blockMesh是一个分块生成网格的程序，将整个计算域视为一个大块，网格密度在x、y、z方向相等。

5.如权利要求3所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布时，利用Stokes一阶线性波浪理论，计算t时刻数值水池中任意一点(x,y,z)处的在O_gX_g、O_gZ_g方向上的波浪速度。

6.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，自由面由一个相分数α_water表示，当相分数为1时表示当前的网格单元充满了水，为0时表明当前的网格单元充满了空气，介于0和1之间即为水和空气的交界面；

数值水池的顶端为了防止回流现象，速度、压力和相分数需要设置边界类型；

速度在波浪入口处，其速度、压力和相分数需要设置类型，其余部分速度均设置为固定值为零，压力和相分数全部设置为零梯度值。

7.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，设置负载的大小和形状时，对于简单形状的负载，直接选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；对于形状复杂的负载，先使用第三方的CAD制图软件画出形状之后，然后导入到OpenFOAM之中，然后通过另外一个程序snappyHexMesh，在产生的背景网格中将此形状生成。

8.如权利要求1所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法，其特征是，使用求解器的求解过程：首先将描述流体运动的质量守恒方程和动量守恒方程通过在整个计算空间域和时间域上积分的方式离散成一系列的代数方程，如此每一个微小的网格单元都有方程来描述，然后通过联立迭代求解这些方程，得到每一个方程的近似解，然后就得到了每一个微小单元的物理参数，然后就得到了整个波浪池的物理参数，然后更新参数并进行下一次迭代直至迭代完成。

9.基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互作用的数值仿真模型建立系统，其特征是，

包括：

数值水池及网格生成模块，用于设置数值水池的大小及网格尺寸；

波浪生成模块，用于设定波浪的参数、计算数值水池中波浪的水平速度和垂直速度分布、利用消波技术避免波浪传播到数值水池的末端反射回来影响之后入射的波浪；

初始条件设置模块，用于设置整个数值波浪水池的初始条件，需要设置的初始条件包括速度、压力以及波浪和自由面的情况；

负载生成模块，用于设置负载的大小和形状：选择一个指定规则形状区域内的所有微小网格单元，然后将其内部网格去除点，只保留最外侧的网格，并对这个区域的所有网格指定为一个整体，得到一个指定形状的负载；

求解器求解模块，使用求解器求解得到整个波浪池的物理参数：通过求解器不断迭代求解得到负载所受到的压力随时间变化的值；

在建立好的数值波浪水池中放置长方体类型的负载，然后进行模拟计算得到负载所收到的水平力、垂直力和纵摇力矩随着时间变化的图像，然后对所得到的数据进行FFT处理，得到对应当前波浪和负载参数的一点值，然后改变负载的参数或者波浪的参数，得到负载的受力情况随着某一个参数的变化情况。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-8中任一所述的基于OpenFOAM的三维海浪与负载交互的数值仿真模型建立方法的步骤。

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