CN113312857B - 一种基于sph的数值水池中方形波浪的模拟方法 - Google Patents

一种基于sph的数值水池中方形波浪的模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，包括以下步骤：S1、建立数值水池模型，数值水池模型包括空间限制域、数值水池域、两块造波板、两块消波岸以及粒子填充域；S2、流体粒子填充与属性设置，对粒子填充域进行水粒子填充与生成，进行各项属性设置；S3、设置边界条件，设置数值水池域边界面的属性，设置造波板、消波岸以及粒子填充域的类型和生成模式；S4、设置双向造波模式，设置两块造波板的运动类型和目标方形波浪的属性；S5、程序运行求解及数据输出，采用软件程序进行数值模拟计算和结果输出。本发明采用基于SPH算法的开源软件DesignSPHysics进行流场的数值模拟，从而生成方形波浪。

Description

一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法
技术领域
本发明属于数值水池技术领域，具体涉及一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法。
背景技术
数值水池是以船舶与海洋结构物水动力学性能研究为特定应用领域的虚拟仿真试验系统。数值水池的基本原理是利用计算机模拟流体流动，通过求解流体运动控制方程，模拟船舶与海洋结构物的运动和受力。通过用计算机软件实现甚至超越物理水池的功能，从而设计出具有优良性能的船舶与海洋结构物。海洋风浪环境的准确模拟是数值水池技术的基本保障，也是评估船舶与海洋结构物在波浪作用下运动与载荷响应的必要前提条件。
由于实际海洋环境及气象条件的复杂性和多变性，当某一海域范围内出现两种不同方向的风的作用时，可在海面上出现大范围的十字交叉状的方形波浪。此外，由于极端的天气模式及地理环境因素，也可导致相邻海域内的风向有很大的差异性。当两种不同方向风生成的波浪或涌浪传播到某一共同海区范围内时，也可相互叠加形成方形波浪。
然而，目前的数值水池技术主要集中于模拟单向传播的规则波及其作用下的船舶与海洋结构物的响应，对于双向波及多向波的模拟研究较少。迄今，一些研究者已建立了基于势流理论和粘性流体力学CFD/RANS方法的方形波浪及多向波浪的模拟技术。近年来，随着计算机水平及数值计算方法的迅速发展，基于无网格技术的光滑粒子流体动力学(SPH)方法被广泛应用于数值水池技术当中。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，采用基于SPH算法的开源软件DesignSPHysics进行流场的数值模拟，从而生成方形波浪。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，包括以下步骤：
S1、建立数值水池模型，数值水池模型包括空间限制域、数值水池域、两块造波板、两块消波岸以及粒子填充域；
S2、流体粒子填充与属性设置，对粒子填充域进行水粒子填充与生成，进行各项属性设置；
S3、设置边界条件，设置数值水池域边界面的属性，设置造波板、消波岸以及粒子填充域的类型和生成模式；
S4、设置双向造波模式，设置两块造波板的运动类型和目标方形波浪的属性；
S5、程序运行求解及数据输出，采用软件程序进行数值模拟计算和结果输出。
进一步的，步骤S1具体为：
采用三维建模软件以建立数值水池的几何模型；
设置一个长方体空腔域作为数值模拟的空间限制域，空间限制域由6个面组成；
设置一个长方体空腔域作为数值水池域，数值水池域由底部边界面、顶部边界面以及四个侧壁边界面组成，数值水池域的6个边界面设置在空间限制域内；
设置两块矩形造波板，两块矩形造波板位于数值水池域内部且相互垂直，造波板布置于两相邻侧壁边界面附近且与各自对应的侧壁边界面平行；造波板的底边位于底部边界面上，顶边位于顶部边界面上或顶部边界面的下方，一侧边与另一块造波板的侧边重合，另一侧边位于侧壁边界面上；
设置两块矩形消波岸，两块矩形消波岸位于数值水池域内部且位于两块造波板的对面处，消波岸与水平面之间有倾斜角度；消波岸的底边位于底部边界面上，顶边位于顶部边界面上或顶部边界面的下方，两侧边位于侧壁边界面上；
设置一个长方体空间域作为粒子填充域，粒子填充域位于数值水池域内部，其底面与数值水池域的底部边界面重合，顶面位于静水平面高度处，其中两相邻侧面与两造波板的浸水面重合，剩余两相邻侧面与数值水池域的侧壁边界面重合。
进一步的，造波板和消波岸均为具有一定厚度的体单元。
进一步的，步骤S2具体为：
对粒子填充域进行水粒子填充与生成；
设置重力加速度、流体密度、粘性类型、粘性系数、模拟时间、步长以及粒子间距。
进一步的，步骤S3具体为：
将数值水池域添加到模拟计算中，将数值水池域的6个边界面设置为壁面边界，设置生成模式为空腔六面体的表面；
依次将两块造波板添加到模拟计算中，设置造波板的类型为壁面边界，设置生成模式为实体；
依次将两块消波岸添加到模拟计算中，设置消波岸的类型为壁面边界，设置生成模式为实体；
设置粒子填充域的类型为流体。
进一步的，步骤S4具体为：
采用推板式造波法进行波浪模拟，并设置目标规则波的类型、周期、波高以及传播方向。
进一步的，步骤S5具体包括：
查看并确认数值模拟的粒子总数目；
进行数值模拟计算；
进行数据查看并输出波面高程曲线、波浪场高程、速度以及压力场分布。
进一步的，建立数值水池模型具体采用FreeCAD软件实现；流体粒子填充和程序运行求解及数据输出具体采用DesignSPHysics软件实现。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用的SPH方法是一种纯Lagrange方法，能够避免Euler描述中欧拉网格与结构材料的界面问题。因此SPH方法与基于有限体积法(FVM)的CFD/RANS方法以及边界元法(BEM)相比，更加适合于求解高速碰撞、自由面破碎、结构大变形等强非线性流固耦合动力学问题。
2、本发明克服了现阶段基于SPH方法的数值水池仅能够模拟单向波的思路束缚，在数值水池中实现由两个正交方向传播波浪的叠加效果，从而模拟实际海洋环境中两种不同方向风生成的波浪或涌浪传播到某一共同海区范围内时相互叠加形成的方形波浪。
3、本发明所有建模和计算工作都可采用开源软件完成，可根据模拟需要对DesignSPHysics中算法的XML源程序代码进行直接修改和补充，避免了采用商业软件的购置成本高、无法进行二次开发等缺点。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是数值水池几何模型示意图；
图3是数值水池几何模型的软件建模图；
图4是在ParaView中查看的数值水池；
图5是计算模拟初期的波面高程分布情况；
图6是计算模拟后期的波面高程分布情况；
图7是流场中点处的波面高程随时间的变化曲线；
附图标号说明：1-空间限制域；2-数值水池域；3-粒子填充域；4-造波板；5-消波岸。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例中使用开源软件FreeCAD建立数值水池模型，并使用开源软件DesignSPHysics生成流体粒子和进行数值计算，从而在数值水池中模拟生成方形波浪。DesignSPHysics是基于SPH算法及DualSPHysics求解器的开源软件模块，其操作界面内置于通用开源软件FreeCAD中。
如图1所示，本发明，一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，包括以下步骤：
S1、建立数值水池几何模型，在本实施例中，具体为：
使用开源软件FreeCAD建立数值水池模型，数值水池模型包括空间限制域1、数值水池域2、两块造波板4、两块消波岸5以及粒子填充域3。在FreeCAD中选择Pre-processing下的New Case建立新案例文件，并命名为DSPH Case。本实例中建立的数值水池模型的结构单元参数见下表1。本实施例在空间直角坐标系O-XYZ中的数值水池中建模和模拟方形波浪，方形波浪场由沿OX和OY两方向传播的规则波叠加而成，规则波周期取为1.0s、波高取为0.15m，两向规则波的相位差为0。建立数值水池模型的具体过程如下：
S11、在新案例文件DSPH Case根目录下的Case Limits(3D)模型中设置一个长方体空腔域作为数值模拟的空间限制域1。空间限制域由六个面组成，后续建模及计算的几何模型都应限制在该空间区域范围内部。空间限制域的OX、OY、OZ方向的尺度分别为8000mm、8000mm、8000mm。
S12、在新案例文件DSPH Case根目录下新建Tank模型并设置为一个长方体空腔域作为数值水池域2，数值水池域由底部边界面、顶部边界面和四个侧壁边界面组成，数值水池域的6个边界面应在空间限制域的内部。数值水池域的OX、OY、OZ方向的尺度分别为7110mm、7400mm、2000mm。
S13、在新案例文件DSPH Case根目录下新建Piston1和Piston2模型并分别设置为两块矩形造波板4，两块矩形造波板位于数值水池域内部且相互垂直，造波板布置于两相邻侧壁边界面附近且与各自对应的侧壁边界面平行。造波板的底边位于底部边界面上，顶边位于顶部边界面上或其下方，一侧边与另一块造波板的侧边重合，另一侧边位于侧壁边界面上。造波板为具有一定厚度的体单元，其宽度、高度、厚度分别为7000mm、1500mm、10mm。
S14、在新案例文件DSPH Case根目录下新建Beach1和Beach2模型并分别设置为两块矩形消波岸，两块矩形消波岸位于数值水池域内部且位于两块造波板的对面处，消波岸与水平面之间有倾斜角度。消波岸的底边位于底部边界面上，顶边位于顶部边界面上或其下方，两侧边位于侧壁边界面上。消波岸为具有一定厚度的体单元，其宽度、高度、厚度分别为7010mm、3000mm、1mm，板面与水平面的夹角为30°。
S15、在新案例文件DSPH Case根目录下新建FillBox文件夹，在FillBox文件夹下建立FillLimit模型，用于设置粒子填充域，粒子填充域为长方体空间域且位于数值水池域内部，其底面与数值水池域的底部边界面重合，顶面位于静水平面高度处，其中两相邻侧面与两造波板的浸水面重合，剩余两相邻侧面与数值水池域的侧壁边界面重合。粒子填充域的OX、OY、OZ方向的尺度分别为7000mm、7000mm、1000mm。
基于上述步骤所建立的数值水池模型的几何示意图如图2所示。在FreeCAD软件中的数值水池建模如图3所示，其中两块垂向布置的板为造波板，两块倾斜布置的板为消波岸。
Figure BDA0003082007150000071
表1
S2、流体粒子填充与属性设置，在本实施例中，具体为：
S21、对粒子填充域进行水粒子填充与生成；
S22、在DesignSPHysics模块中选择Define_Constants选项，弹出DSPH Constantdefinition选项窗口，定义重力加速度、流体密度等参数。本实施例中定义重力加速度为竖直向下9.81m/s2、流体密度1000kg/m3，其余参数选用系统默认值。
S23、在DesignSPHysics模块中选择选择Execution Parameters选项，弹出DSPHExecution Parameters选项窗口，定义粘性类型、粘性系数、模拟时间、步长等。本实施例中计算精度选取双精度、时间积分选取Symplectic算法、定义交互核函数选Wendland、粘度公式选Artificial、阻尼系数取0.01、粘性因子取1、模拟计算时长为15s、计算步长为0.05s等。
S24、在DesignSPHysics模块中的Inter-particle distance输入框中定义粒子间距为0.01m。
S3、设置边界条件，在本实施例中，具体为：
S31、点击已建立的Tank模型从而选中数值水池域，并点击Add to DSPHSimulation选项将其添加到模拟计算中，将数值水池域的六个边界面定义为Bound(壁面边界)，设置生成模式为Face(空腔六面体的表面)。
S32、依次点击已建立的Piston1和Piston2模型从而选中造波板，并点击Add toDSPH Simulation选项将其添加到模拟计算中，设置造波板的类型为Bound(壁面边界)，设置生成模式为Full(实体)。
S33、依次点击已建立的Beach1和Beach2模型从而选中消波岸，并点击Add toDSPH Simulation选项将其添加到模拟计算中，设置消波岸的类型为Bound(壁面边界)，设置生成模式为Full(实体)。
S34、点击已建立的FillBox文件夹选项从而选中粒子填充域，设置粒子填充域的类型为Fluid(流体)。
本实例中所建立的数值水池模型的模型单元的边界条件见表2。
Figure BDA0003082007150000081
Figure BDA0003082007150000091
表2
S4、设置双向造波模式，在本实施例中，具体为：
依次点击已建立的Piston1和Piston2模型从而选中造波板，然后点击Motion选项会弹出Motion Configuration选项窗口，设置造波板的运动类型为True(可运动)。在Create New下拉选项中选择Regular Wave Generator(Piston)，从而采用推板式造波法进行波浪模拟，进而在新出现的输入框中设置目标规则波的类型、周期、波高以及传播方向等。本实施例中选用2nd Order(二阶斯托克斯波)、设置推板水下部分深度为0.4m，两块造波板对应的波浪传播方向分别为(1,0,0)和(0,1,0)、波高0.15m，波浪周期1.0s。
S5、程序运行求解及数据输出，在本实施例中，具体为：
S51、在程序计算前，在DesignSPHysics模块中选择Run GenCase后弹出Save&GenCase对话框，查看并确认数值模拟的粒子总数目。本实施例中共生成粒子1135496个。点击Ok选项后，通过开源可视化程序ParaView查看的数值水池模型如图4所示。
S52、在DesignSPHysics模块中点击Run开始进行数值模拟计算。本次计算使用使用R5-4600H型号电脑并使用CPU计算，计算耗时约60911s。
S53、待计算完成后，在DesignSPHysics模块中选择Post-prossessing进行数据查看及数据输出(例如波面高程曲线、波浪场高程、速度以及压力场分布等数据)。图5和图6分别为计算模拟初期及后期时刻的波面高程分布情况。如图7所示，为流场中点处的波面高程随时间的变化曲线，图中对比了所设置的两向波浪的三种不同初始相位差(0、π/4、π/2)情况下的模拟结果。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立数值水池模型，数值水池模型包括空间限制域、数值水池域、两块造波板、两块消波岸以及粒子填充域；具体为：
采用三维建模软件以建立数值水池的几何模型；
设置一个长方体空腔域作为数值模拟的空间限制域，空间限制域由6个面组成；
设置一个长方体空腔域作为数值水池域，数值水池域由底部边界面、顶部边界面以及四个侧壁边界面组成，数值水池域的6个边界面设置在空间限制域内；
设置两块矩形造波板，两块矩形造波板位于数值水池域内部且相互垂直，造波板布置于两相邻侧壁边界面附近且与各自对应的侧壁边界面平行；造波板的底边位于底部边界面上，顶边位于顶部边界面上或顶部边界面的下方，一侧边与另一块造波板的侧边重合，另一侧边位于侧壁边界面上；
设置两块矩形消波岸，两块矩形消波岸位于数值水池域内部且位于两块造波板的对面处，消波岸与水平面之间有倾斜角度；消波岸的底边位于底部边界面上，顶边位于顶部边界面上或顶部边界面的下方，两侧边位于侧壁边界面上；
设置一个长方体空间域作为粒子填充域，粒子填充域位于数值水池域内部，其底面与数值水池域的底部边界面重合，顶面位于静水平面高度处，其中两相邻侧面与两造波板的浸水面重合，剩余两相邻侧面与数值水池域的侧壁边界面重合；
S2、流体粒子填充与属性设置，对粒子填充域进行水粒子填充与生成，进行各项属性设置；
S3、设置边界条件，设置数值水池域边界面的属性，设置造波板、消波岸以及粒子填充域的类型和生成模式；
S4、设置双向造波模式，设置两块造波板的运动类型和目标方形波浪的属性；
S5、程序运行求解及数据输出，采用软件程序进行数值模拟计算和结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，造波板和消波岸均为具有一定厚度的体单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，步骤S2具体为：
对粒子填充域进行水粒子填充与生成；
设置重力加速度、流体密度、粘性类型、粘性系数、模拟时间、步长以及粒子间距。
4.根据权利要求1所述的一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，步骤S3具体为：
将数值水池域添加到模拟计算中，将数值水池域的6个边界面设置为壁面边界，设置生成模式为空腔六面体的表面；
依次将两块造波板添加到模拟计算中，设置造波板的类型为壁面边界，设置生成模式为实体；
依次将两块消波岸添加到模拟计算中，设置消波岸的类型为壁面边界，设置生成模式为实体；
设置粒子填充域的类型为流体。
5.根据权利要求1所述的一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，步骤S4具体为：
采用推板式造波法进行波浪模拟，并设置目标规则波的类型、周期、波高以及传播方向。
6.根据权利要求1所述的一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
查看并确认数值模拟的粒子总数目；
进行数值模拟计算；
进行数据查看并输出波面高程曲线、波浪场高程、速度以及压力场分布。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于SPH的数值水池中方形波浪的模拟方法，其特征在于，建立数值水池模型具体采用FreeCAD软件实现；流体粒子填充和程序运行求解及数据输出具体采用DesignSPHysics软件实现。
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