[发明专利]一种高效的两相流无网格数值模型实施方法、装置

说明书

本发明提供了一种高效的两相流无网格数值模型实施方法、装置，属于数值模拟技术领域。所述两相流无网格数值模型实施方法的主要过程为：当需要空气粒子时，在计算域中生成空气粒子，减小时间步长；当不需要空气粒子时，将计算域内的空气粒子删除，同时增大时间步长；通过上述方法，可以将两相流SPH模型的计算效率提高8倍以上。本发明能够显著提升两相流SPH模型的计算效率，节约计算成本。

技术领域

本发明属于数值模拟技术领域，具体涉及一种高效的两相流无网格数值模型实施方法、装置。

背景技术

随着社会经济的发展，人类为了开发利用海洋资源，在海洋中修建了大量的海洋结构物。波浪作用下海洋结构物的水动力特性一直是工程师们所关注的重要问题。近年来，随着计算流体力学数值模拟技术的不断成熟，数值模拟逐渐成为分析波浪与海洋结构物相互作用的有效手段。

光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)是一种新兴的拉格朗日形式的无网格粒子法，其最初主要用于解决三维开放空间的天体物理学问题，现已被应用到海洋工程问题。SPH方法较之传统的基于网格的数值算法，由于其粒子性和拉格朗日性，在求解大变形问题上有巨大的优势。对于一般模拟波浪与结构物的相互作用而言，具有单相流(水)SPH模型和两相流(空气+水)SPH模型。单相流SPH模型不考虑空气的作用，其计算效率高、稳健性好，能较好的预测波浪作用下结构物的水动力特性。但是对于带有腔室的海洋结构物，例如开孔沉箱的消浪室结构、高桩码头底部的空腔结构等，波浪在与这些结构物相互作用时，需要考虑腔室内空气变化对水体运动的影响，此时需要采用两相流SPH模型。两相流SPH模型虽然能够考虑腔室内空气变化对水体运动的影响，但是由于加入空气粒子，导致计算节点显著增多，同时由于空气密度很小，导致计算时间步长极大缩短，这些因素都明显降低了两相流SPH数值模型的计算效率。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高效的两相流无网格数值模型实施方法、装置，显著提高计算效率，节约计算成本。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种高效的两相流无网格数值模型实施方法，包括步骤：

S1，建立数值波浪水槽，在流体区域布置水粒子；

S2，当结构物空腔处于封闭状态时，封闭次数k＝k+1，执行S3；若结构物空腔不满足封闭状态，则封闭次数k＝0，执行S6；

S3，若k1，执行S4；若k＝1，执行S5；

S4，水粒子和空气粒子均进行控制方程计算，并使用四阶龙格库塔法对控制方程计算结果进行积分，其中用于获取时间步长的库朗数CFL值取0.25；

S5，生成空气粒子，水粒子和空气粒子均进行控制方程计算，并使用四阶龙格库塔法对控制方程计算结果进行积分，其中用于获取时间步长的库朗数CFL值取0.25；

S6，仅水粒子进行控制方程计算，并使用四阶龙格库塔法对控制方程计算结果进行积分，其中用于获取时间步长的库朗数CFL值取2.2；

S7，结构物腔室满足封闭条件时，封闭次数k＝k+1，执行S4；结构物腔室不满足封闭条件时，k＝0，删除所有空气粒子，水粒子进行控制方程计算，并使用四阶龙格库塔法对控制方程计算结果进行积分，其中用于获取时间步长的库朗数CFL值调整为2.2；

S8，判断是否满足时间终止条件：ttend，若满足，则结束计算；不满足时间终止条件时，t＝t+△t，返回S2。

进一步的技术方案，所述控制方程为：