技术领域
[0001] 本发明属于船舶水动力预报技术领域，尤其涉及一种船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算方法及系统。
相关背景技术
[0002] 船舶在海上航行时，遭受到各种恶劣海况，导致船体产生大幅度的非线性运动。当波浪超过船体的干舷时，海水就会冲上甲板，发生甲板上浪现象。海浪对船体甲板、甲板上设备以及上层建筑产生巨大冲击作用，可能导致甲板损坏、上层建筑变形、甲板上设备破坏等情况。在严重的情况下，上浪水流大量涌入船舱，使船舶丧失稳性，甚至发生倾覆。因此，准确预报船舶的甲板上浪载荷具有十分重要的意义。
[0003] 运动船舶的甲板上浪问题属于强非线性波浪和结构物相互作用的范畴。流场的强非线性、波浪场与海洋结构物的耦合作用是求解该问题的两大难点。目前常用的预报甲板上浪载荷的方法包括概率与线性水动力理论的结合、溃坝理论和洪水波理论等。然而，这些方法难以准确的求解甲板上水流的非线性动态流动过程，无法精确预报甲板上浪载荷与船体结构的瞬时相互作用。
[0004] 对于大波浪引起的甲板上浪问题，波浪的非线性特性起到很重要的作用，概率分析的方法很难正确估计上浪的发生和冲击载荷，不能描述波浪冲上甲板后的流体运动以及船体结构受到的破坏。
[0005] 基于浅水近似的越浪理论，洪水波理论等数值模型，被应用到求解上浪问题的数值计算中，但其难以准确求解甲板上水流的非线性动态流动过程。传统浅水方程的数值求解方法(如有限差分法等)是基于微分形式的控制方程，要求物理变量处处连续可微，而甲板上水流的流速、水位存在间断，出现数值振荡现象。有限差分法对于复杂几何模型的网格适应性差。
[0006] 传统方法在求解甲板上非线性动态流动过程中，基于二维浅水方程，忽略了甲板的坡度影响，近似为平板求解。但实际情况下，为满足快速排水等要求，船艏甲板具有一定坡度，坡度对甲板上水流的流动影响不可忽略。
[0007] 通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0008] (1)对于大波浪引起的甲板上浪问题，波浪的非线性特性起到很重要的作用，概率分析的方法很难正确估计上浪的发生和冲击载荷，不能描述波浪冲上甲板后的流体运动以及船体结构受到的破坏。
[0009] (2)基于浅水近似的越浪理论，洪水波理论等数值模型，被应用到求解上浪问题的数值计算中，但其难以准确求解甲板上水流的非线性动态流动过程。传统浅水方程的数值求解方法(如有限差分法等)是基于微分形式的控制方程，要求物理变量处处连续可微，而甲板上水流的流速、水位存在间断，出现数值振荡现象。有限差分法对于复杂几何模型的网格适应性差。
[0010] (3)传统方法在求解甲板上非线性动态流动过程中，基于二维浅水方程，忽略了甲板的坡度影响，近似为平板求解。但实际情况下，为满足快速排水等要求，船艏甲板具有一定坡度，坡度对甲板上水流的流动影响不可忽略。
具体实施方式
[0078] 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。
[0079] 如图1所示，本发明实施例提供的一种船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算方法包括以下步骤：
[0080] S101，波浪中船体运动求解；
[0081] S102，甲板上浪求解。
[0082] 本发明实施例提供的波浪中船体运动求解：
[0083] 输入船体型线、航速、重量、重心、惯性半径船舶主尺度参数；
[0084] 建立船体三维模型，生成船体表面网格、计算域自由面网格；
[0085] 计算定常兴波或叠模流动速度势，获得物面项，建立非定常速度势边界积分方程组系数矩阵，并求解Rankine面元法的边界积分方程；
[0086] 通过坐标系转换，将计算所得的甲板上浪作用力添加至船舶总时域运动方程，建立新时域运动方程：
[0087]
[0088] 式中，Mij和Aij分别为质量矩阵和附加质量矩阵；cij为静水恢复力矩阵；Fwave(t)表M M Greenwater示波浪载荷，F (t)为记忆势引起的流体载荷，F (t)表示阻尼力，F (t)为甲板上浪引起的流体作用力。
[0089] 本发明实施例提供的甲板上浪求解：
[0090] 甲板坐标系下，甲板上二维浅水流动控制方程：
[0091]
[0092] 式中，h为水深，u和v为沿x，y方向的水流速度，az为甲板坐标系下的垂向加速度，S为外力源项，Sex为甲板坐标系相对于固定坐标系的惯性力，Sb为底坡源项，Sf为摩阻源项；
[0093] 空间离散：采用有限体积法，将控制方程在单元内积分，应用高斯散度定理，将通量面积分转化为线积分，得到二维浅水方程的离散形式：
[0094]
[0095] 时间离散：对时间导数采用二阶TVD Runge‑Kutta时间离散方法；
[0096] 空间二阶精度数值重构：针对二维非结构网格的空间不规则性，采用基于变量梯度的TVD格式，并选用vanAlbada限制函数避免数值虚假振荡；
[0097] 建立各甲板分域的计算域模型，采用三角形网格，对计算域进行非结构网格剖分，获得甲板上浪区域的网格单元编号、节点坐标、网格中心坐标、单元面积、面外法向参数，建立网格拓扑关系；
[0098] 指定各边界单元的属性参数，设置初始水位、流速条件，对整个计算域网格上的变量进行初始化；
[0099] 为防止数值解溢出、计算过程中产生非物理现象，需对计算域进行干湿边界处理；若网格单元及其相邻单元水深小于最小湿单元水深，该网格不参与计算；若网格单元及相邻单元均大于等于最小湿单元水深，采用静水重构法将两个单元界面处的甲板垂向高度定义为：
[0100]
[0101] 式中，ZbM为单元边中点处重构后的垂向高度， 为单元边左侧和右侧的原始垂向高度；
[0102] 若涉及干湿边界，需要进一步重构以保证干湿边界处的平衡状态和质量守恒：
[0103]
[0104] 式中， 为水面高程原始值；
[0105] 重构两侧水深：
[0106]
[0107] 重构界面两侧流量：
[0108]
[0109] 将重构后的水深、流量代入HLLC近似黎曼求解器中计算质量和动量的通量；
[0110] 采用底坡通量法，将底坡源项转为单元边界通量，某边的底坡通量为：
[0111]
[0112] nx、ny分别为面外法向向量在x，y方向上的分量；
[0113] 采用分裂点隐式法求解摩阻源项，摩阻源项通量表示为：
[0114]
[0115] 式中，Cf为摩擦系数；
[0116] 浅水波理论假设，甲板上的流体静压和甲板上流体作用力可根据各单元的水深、甲板坐标系下的垂向加速度、网格单元到船体重心的方向矢量计算得到：
[0117]
[0118]
[0119] 如图2所示，本发明实施例提供的一种船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算系统包括：
[0120] 运动求解模块，用于波浪中船体运动求解；
[0121] 上浪求解模块，用于甲板上浪求解。
[0122] 本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算方法的步骤。
[0123] 本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算方法的步骤。
[0124] 本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算系统。
[0125] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，本实施例中，选取目标对象如图4所示，对平台船艏处进行甲板上浪分析，两侧船艏甲板网格数量共186个，本例中时间步长为0.05s；平台航速2.61m/s，浪向角为迎浪180deg，规则波波高5m，周期10.3s。
[0126] 如图3所示，一种船舶波浪运动与甲板上浪耦合的分域计算方法。包括以下步骤：
[0127] 1)建立各甲板分域的计算域模型，采用三角形网格，对计算域进行非结构网格剖分，每个网格有3个节点，获得甲板上浪区域的网格单元编号、节点坐标、网格中心坐标、单元面积、面外法向等参数，建立网格拓扑关系；
[0128] 2)指定各边界单元的属性参数，如图5所示，平台立柱边界设置为壁面边界条件，与外界波浪相通边界设置为流量边界条件，设置甲板上初始水位、流速为0，对整个计算域网格上的变量进行初始化；
[0129] 3)输入船体型线、航速、重量、重心、惯性半径等船舶主尺度参数；建立船体三维模型，生成船体表面网格、计算域自由面网格；
[0130] 4)计算定常兴波或叠模流动速度势，获得物面项，建立非定常速度势边界积分方程组系数矩阵，并求解Rankine面元法的边界积分方程。
[0131] 5)求解不包含甲板上流体作用力的船体运动方程，获得船体的六自由度运动、速度和加速度；
[0132] 6)计算甲板网格各边界中心点处的相对波浪高度、速度，用于计算流量边界条件，初始化边界虚网格水位、流速值。
[0133] 7)基于技术方案7，对计算域进行干湿边界处理；
[0134] 8)基于技术方案4，对计算域变量进行空间二阶精度数值重构，将重构后的水深、流量等代入HLLC近似黎曼求解器中计算质量和动量的通量；
[0135] 9)基于技术方案9‑10，采用底坡通量法和分裂点隐式法分别求解底坡源项和摩阻源项；
[0136] 10)将5)中求解得到的平台位移、速度、加速度作为已知条件求解外力源项；
[0137] 11)基于技术方案1‑2得到的二维浅水方程离散形式，依次将通量、底坡源项、摩阻源项、外力源项等带入方程，并进行时间步迭代，时间导数采用二阶TVD Runge‑Kutta时间离散方法，得到该时刻下甲板上流体的流动状态，即水位，流速；
[0138] 12)基于技术方案11，根据求解得到的水位和甲板坐标系下的垂向加速度，获得甲板分域上的流体静压和甲板上流体作用力，如图6和8所示；
[0139] 13)实施方式6)～12)可同时应用于多个甲板区域求解，最后将所有分域上的流体作用力添加到时域运动方程右侧，用于求解下一个时间步中的波浪中船体六自由度运动，如图7所示；
[0140] 循环以上步骤，直至完成求解。
[0141] 实施例1：中型商船在恶劣海况下的波浪运动与甲板上浪耦合计算[0142] 步骤1：波浪中船体运动求解
[0143] 参数输入：
[0144] 船体型线：中型商船的三维船体型线数据。
[0145] 航速：12节。
[0146] 重量：15000吨。
[0147] 重心位置：纵向中心线偏后，距船底高度为15米。
[0148] 惯性半径：横摇惯性半径为12米，纵摇惯性半径为20米。
[0149] 三维模型建立：
[0150] 生成船体表面网格，细化到0.5米的网格间距。
[0151] 计算域自由面网格，网格间距为1米。
[0152] 非定常速度势计算：
[0153] 使用Rankine面元法计算定常兴波速度势。
[0154] 建立非定常速度势边界积分方程组，求解其系数矩阵。
[0155] 船体运动方程求解：
[0156] 通过坐标系转换，将甲板上浪作用力添加至船舶总时域运动方程，更新时域运动方程。
[0157] 步骤2：甲板上浪求解
[0158] 二维浅水流动控制方程求解：
[0159] 在甲板坐标系下，建立二维浅水流动控制方程。
[0160] 设定初始条件：初始水位0.2米，初始流速0.5米/秒。
[0161] 空间离散和时间离散：
[0162] 使用有限体积法对控制方程进行空间离散。
[0163] 采用二阶TVD Runge‑Kutta时间离散方法对时间导数进行离散。
[0164] 空间二阶精度数值重构：
[0165] 使用基于变量梯度的TVD格式进行数值重构，van Albada限制函数避免数值振荡。
[0166] 建立甲板分域的非结构网格模型，网格间距0.2米。
[0167] 干湿边界处理：
[0168] 进行干湿边界处理，对干湿边界进行静水重构，保证质量守恒。
[0169] 摩阻源项求解：
[0170] 使用分裂点隐式法求解摩阻源项，设定摩擦系数为0.03。
[0171] 结果分析：
[0172] 通过计算得到船体在恶劣海况下的波浪运动和甲板上浪的动态变化。
[0173] 模型能够准确预测商船在恶劣海况下的运动响应和甲板上浪情况。
[0174] 实施例2：高速军舰在复杂波浪环境下的运动与甲板上浪耦合计算[0175] 步骤1：波浪中船体运动求解
[0176] 参数输入：
[0177] 船体型线：高速军舰的三维船体型线数据。
[0178] 航速：30节。
[0179] 重量：8000吨。
[0180] 重心位置：纵向中心线偏前，距船底高度为10米。
[0181] 惯性半径：横摇惯性半径为8米，纵摇惯性半径为15米。
[0182] 三维模型建立：
[0183] 生成船体表面网格，细化到0.3米的网格间距。
[0184] 计算域自由面网格，网格间距为0.8米。
[0185] 非定常速度势计算：
[0186] 使用Rankine面元法计算定常兴波速度势。
[0187] 建立非定常速度势边界积分方程组，求解其系数矩阵。
[0188] 船体运动方程求解：
[0189] 通过坐标系转换，将甲板上浪作用力添加至船舶总时域运动方程，更新时域运动方程。
[0190] 步骤2：甲板上浪求解
[0191] 二维浅水流动控制方程求解：
[0192] 在甲板坐标系下，建立二维浅水流动控制方程。
[0193] 设定初始条件：初始水位0.3米，初始流速0.8米/秒。
[0194] 空间离散和时间离散：
[0195] 使用有限体积法对控制方程进行空间离散。
[0196] 采用二阶TVD Runge‑Kutta时间离散方法对时间导数进行离散。
[0197] 空间二阶精度数值重构：
[0198] 使用基于变量梯度的TVD格式进行数值重构，van Albada限制函数避免数值振荡。
[0199] 建立甲板分域的非结构网格模型，网格间距0.15米。
[0200] 干湿边界处理：
[0201] 进行干湿边界处理，对干湿边界进行静水重构，保证质量守恒。
[0202] 摩阻源项求解：
[0203] 使用分裂点隐式法求解摩阻源项，设定摩擦系数为0.02。
[0204] 结果分析：
[0205] 通过计算得到军舰在复杂波浪环境下的波浪运动和甲板上浪的动态变化。
[0206] 模型能够准确预测高速军舰在复杂波浪环境下的运动响应和甲板上浪情况。
[0207] 这两个实施例展示了在不同类型船舶和海况下，基于分域计算方法的船舶波浪运动与甲板上浪耦合计算的具体应用和效果。通过该方法，可以显著提高计算精度和可靠性，为船舶设计和航行安全提供重要的技术支持。
[0208] 应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD‑ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0209] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
