一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，包括以下步骤：S1、建立数值水池的几何模型；S2、建立第一船体、第二船体、第一液舱以及第二液舱的模型，确定液舱在船体内部的位置，合并液舱和船体，将船体导入数值水池并调整在数值水池内部的位置；S3、设置第一船体和第二船体的初始状态及运动特性；S4、对第一液舱和第二液舱进行流体粒子填充；S5、设置边界条件和造波模式；S6、设置系泊锚链、消波阻尼及典型参数；S7、程序运行求解及计算结果输出。本发明专利技术方法通过建立液货船舶及内置液舱的多浮体水动力数值水池的模拟技术，从而模拟波浪作用下多浮体协同作业时两船运动与液舱晃荡的耦合效应。运动与液舱晃荡的耦合效应。运动与液舱晃荡的耦合效应。

【技术实现步骤摘要】
一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法


[0001]本专利技术属于液货船舶运动预报
，具体涉及一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法。

技术介绍

[0002]液化天然气(LNG)作为一种清洁、高效、廉价的新能源受到各届广泛关注。对于海洋LNG的勘探、开采、运输等环节，单一的船舶或浮式结构物无法独立完成，往往需要多个船舶或浮式结构物的协同与配合作业。例如，LNG运输船与FLNG(浮式LNG储存和再气化装置)并靠进行油气装卸货；FPSO(浮式LNG生产储卸装置)与穿梭油轮协同工作进行油气装卸转移等。
[0003]海况的恶劣程度对于并排作业装卸油气货物的船舶影响很大。海浪不仅能够引起船体的摇荡运动，液货舱随着船体在波浪中的运动还会导致舱内液体发生剧烈的晃荡运动，特别是部分装载液货时的大幅晃荡所产生巨大砰击载荷对船体结构和液货舱的破坏是致命性的。此外，当两个载液船体并排作业时，两船体在波浪中会产生十分复杂的相对运动，进而导致两船偏离原始位置，造成一系列的安全风险。例如，当两船距离过小可能引起相互碰撞，距离过大可能牵扯输油管等。因此，对波浪作用下多浮体协同作业时的两船运动与液舱晃荡耦合的精确预报与模拟是十分必要的。目前，相关研究工作主要集中于船舶运动与多浮体水动力干扰，然而对于多浮体间流体扰动与液舱晃荡的耦合模拟研究较少。
[0004]SPH方法是一种基于拉格朗日算法的无网格方法，尤其适用于模拟液舱晃荡等剧烈流体流动问题。SPH方法与基于有限体积法(FVM)的CFD/RANS方法及基于边界元法(BEM)的势流理论相比，更加适合于求解液货船舶的液舱晃荡、自由面破碎、流体飞溅等强非线性流固耦合动力学问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，利用基于SPH算法的开源软件DesignSPHysics进行波浪中多浮体协同作业时两船运动与液舱晃荡的耦合模拟。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，包括以下步骤：
[0008]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、数值水池流体粒子填充域以及造波板；
[0009]S2、建立第一船体、第二船体、第一液舱以及第二液舱的模型，确定液舱在船体内部的位置，合并液舱和船体，将船体导入数值水池并调整在数值水池内部的位置；
[0010]S3、设置第一船体和第二船体的初始状态及运动特性；
[0011]S4、对第一液舱和第二液舱进行流体粒子填充；
[0012]S5、设置边界条件和造波模式；
[0013]S6、设置系泊锚链、消波阻尼及典型参数；
[0014]S7、程序运行求解及计算结果输出，设置计算监测量以及数据输出，确认数值模拟的粒子数目，进行数值模拟计算，输出结果。
[0015]进一步的，步骤S1至步骤S2具体采用FreeCAD实现，步骤S3至步骤S7具体采用DesignSPHysics实现。
[0016]进一步的，步骤S1具体为：
[0017]在FreeCAD中设置一个长方体空腔域作为数值模拟的空间限制域，空间限制域由六个面组成；
[0018]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、顶部边界面和四个侧壁边界面组成，数值水池域的六个边界面设在空间限制域的内部；
[0019]建立一个实心长方体模型，并设置为矩形造波板，造波板位于数值水池域内部；造波板的底边位于空间限制域底部边界面上，顶边位于数值水池域顶部边界面与空间限制域顶部边界面之间，两侧边分别位于数值水池域两侧壁边界面上；
[0020]建立数值水池流体粒子填充域，并进行数值水池内的流体粒子的填充与生成。
[0021]进一步的，造波板为具有一定厚度的体单元。
[0022]进一步的，步骤S2具体包括：
[0023]S21、建立第一船体与第一液舱的模型：
[0024]采用FreeCAD根据第一船体的型线图和型值表数据绘制船体外壳的曲面，创建第一船体的三维几何模型；
[0025]建立第一液舱的三维几何模型，将第一液舱模型导入到第一船体模型中并确定第一液舱在第一船体内部的位置，将第一液舱与第一船体合并为一个整体；
[0026]根据模拟精度需求、尺度效应和计算效率综合考虑，确定船模的几何缩尺比；选择导入船体模型的缩放系数，从而实现船模与实船的缩尺比例；
[0027]设置第一船体在数值水池中的空间位置；
[0028]S22、建立第二船体与第二液舱的模型：
[0029]采用FreeCAD根据第二船体的型线图和型值表数据绘制船体外壳的曲面，创建第二船体的三维几何模型；
[0030]建立第二液舱的三维几何模型，将第二液舱模型导入到第二船体模型中并确定第二液舱在第二船体内部的位置；将第二液舱与第二船体合并为一个整体；
[0031]选择导入船体模型的缩放系数，从而实现船模与实船的缩尺比例；
[0032]设置第二船体在数值水池中的空间位置。
[0033]进一步的，步骤S3具体包括：
[0034]S31、设置第一船体的初始状态及运动特性：
[0035]设置第一船体的漂浮状态为可漂浮式；
[0036]通过平移船舶使第一船体位于数值水池中的相应位置，通过在水平面内旋转船舶从而实现第一船体航向角的初始化；
[0037]设置第一船体的运动特性，包括：
[0038]设置第一船体的质量、重心坐标以及绕三个坐标轴的转动惯量；设置第一船体的三个方向的初始线速度和绕三个坐标轴的初始角速度；设置第一船体的三个方向的平动自
由度和三个坐标轴的转动自由度；
[0039]S32、设置第二船体的初始状态及运动特性：
[0040]设置第二船体的漂浮状态为可漂浮式；
[0041]通过平移船舶使第二船体位于数值水池中的相应位置，通过在水平面内旋转船舶从而实现第二船体的航向角的初始化；
[0042]设置第二船体的运动特性，包括：
[0043]设置第二船体的质量、重心坐标以及绕三个坐标轴的转动惯量；设置第二船体的三个方向的初始线速度和绕三个坐标轴的初始角速度；设置第二船体的三个方向的平动自由度和三个坐标轴的转动自由度。
[0044]进一步的，步骤S4具体包括：
[0045]S41、第一液舱内的流体粒子填充：
[0046]在软件中建立第一液舱内的流体粒子填充域，设置第一液舱内流体粒子填充域的大小及位置；
[0047]对第一液舱的流体粒子填充域进行水粒子填充与生成；
[0048]S42、第二液舱内的流体粒子填充：
[0049]在软件中建立第二液舱内的流体粒子填充域，设置第二液舱内流体粒子填充域的大小及位置；
[0050]对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH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、数值水池流体粒子填充域以及造波板；S2、建立第一船体、第二船体、第一液舱以及第二液舱的模型，确定液舱在船体内部的位置，合并液舱和船体，将船体导入数值水池并调整在数值水池内部的位置；S3、设置第一船体和第二船体的初始状态及运动特性；S4、对第一液舱和第二液舱进行流体粒子填充；S5、设置边界条件和造波模式；S6、设置系泊锚链、消波阻尼及典型参数；S7、程序运行求解及计算结果输出，设置计算监测量以及数据输出，确认数值模拟的粒子数目，进行数值模拟计算，输出结果。2.根据权利要求1所述的一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，其特征在于，步骤S1至步骤S2具体采用FreeCAD实现，步骤S3至步骤S7具体采用DesignSPHysics实现。3.根据权利要求2所述的一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，其特征在于，步骤S1具体为：在FreeCAD中设置一个长方体空腔域作为数值模拟的空间限制域，空间限制域由六个面组成；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、顶部边界面和四个侧壁边界面组成，数值水池域的六个边界面设在空间限制域的内部；建立一个实心长方体模型，并设置为矩形造波板，造波板位于数值水池域内部；造波板的底边位于空间限制域底部边界面上，顶边位于数值水池域顶部边界面与空间限制域顶部边界面之间，两侧边分别位于数值水池域两侧壁边界面上；建立数值水池流体粒子填充域，并进行数值水池内的流体粒子的填充与生成。4.根据权利要求3所述的一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，其特征在于，造波板为具有一定厚度的体单元。5.根据权利要求2所述的一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，其特征在于，步骤S2具体包括：S21、建立第一船体与第一液舱的模型：采用FreeCAD根据第一船体的型线图和型值表数据绘制船体外壳的曲面，创建第一船体的三维几何模型；建立第一液舱的三维几何模型，将第一液舱模型导入到第一船体模型中并确定第一液舱在第一船体内部的位置，将第一液舱与第一船体合并为一个整体；根据模拟精度需求、尺度效应和计算效率综合考虑，确定船模的几何缩尺比；选择导入船体模型的缩放系数，从而实现船模与实船的缩尺比例；设置第一船体在数值水池中的空间位置；S22、建立第二船体与第二液舱的模型：采用FreeCAD根据第二船体的型线图和型值表数据绘制船体外壳的曲面，创建第二船
体的三维几何模型；建立第二液舱的三维几何模型，将第二液舱模型导入到第二船体模型中并确定第二液舱在第二船体内部的位置；将第二液舱与第二船体合并为一个整体；选择导入船体模型的缩放系数，从而实现船模与实船的缩尺比例；设置第二船体在数值水池中的空间位置。6.根据权利要求2所述的一种液货船舶旁靠作业时多浮体水动力的SPH模拟方法，其特征在于，步骤S3具体包括：S31、设置第一船体的初始状态及运动特性：设置第一船体的漂浮状态为可漂浮式；通过平移船舶使第一船体位于数值水池中的相应...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦甲龙，赵明明，丁绱，李晓晨，陈超核，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：