[发明专利]一种浪流耦合环境中浮冰漂移弯曲变形预报方法和系统

说明书

本发明公开了一种浪流耦合环境中浮冰漂移弯曲变形预报方法及系统，构建浪流耦合环境；离散浪流耦合环境中流域的流体运动控制方程得到流体域，离散浮冰的结构力学控制方程得到固体域；创建流体域和固体域的映射交界面，用最小二乘法将流体载荷映射到固体结构表面，用形状函数将固体结构内部的节点位移插值到流体域的有限体积计算网格；实现浮冰与流体的双向流固耦合，从而构建浪流耦合环境中浮冰与外部流域的双向流固耦合问题计算模型；模型求解预报浮冰漂移弯曲变形对波浪场的影响。通过实现浪流耦合环境中大尺度浮冰漂移弯曲变形的预报，并能保证预报的准确率,对于正确认识冰区内波浪传播特性以及北极工程的合理开发具有重要的理论指导意义。

技术领域

本发明涉及浮冰与波浪相互作用，具体是涉及一种浪流耦合环境中浮冰漂移弯曲变形预报方法和系统。

背景技术

随着全球气温的升高，北极海冰覆盖面积季节性减少使得北极资源大规模的开发成为可能。然而，冰缘区内的波浪场可能会与开阔海域中的非常不同，其中主要区别是北极地理条件不同，或者说冰区内典型的波浪类型不同。造成该区别的主要原因是海冰的存在对波浪的传播产生了很大的影响。

在传统方法中，快速势流分析方法以及试验方法是研究大尺度浮冰与波浪相互作用的主要方法，计算流体动态模拟技术应用较少。对于波浪与海冰作用中存在的波浪冲洗现象，鲜有研究考虑其对浮冰弯曲以及浮冰弯曲对波浪场的影响。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种更准确描述浮冰与波浪相互作用的浪流耦合环境中浮冰漂移弯曲变形预报方法和系统。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种浪流耦合环境中浮冰漂移弯曲变形预报方法，包括以下步骤：

(1)构建浪流耦合环境，通过速度入口造波方式完成造波任务，在入口处进行松弛区域消波，在出口处进行阻尼消波；

(2)获取浪流耦合环境中流域对应的流体运动控制方程，通过有限体积法离散流体运动控制方程得到流体域，流体域离散划分得到有限体积计算网格；获取浮冰对应的结构力学控制方程，通过有限元法离散结构力学控制方程得到固体域，固体域划分得到有限元计算网格；

(3)创建流体域和固体域的映射交界面，用最小二乘法将流体载荷映射到固体结构表面，用形状函数将固体结构内部的节点位移插值到流体域的有限体积计算网格；实现浮冰与流体的双向流固耦合，从而构建浪流耦合环境中浮冰与外部流域的双向流固耦合问题计算模型；

(4)通过所述双向流固耦合问题计算模型的求解，预报浪流耦合环境中浮冰漂移弯曲变形和浮冰变形对波浪场的影响。

进一步的，所述流体域采用正六面体单元划分成多个有限体积计算网格，所述固体域采用四面体单元划分成多个有限元计算网格。

进一步的，所述浪流耦合环境的数学模型包括：

波面方程：

体积分数：

压强：

速度分布：

弥散关系：

ω²＝gktanhkd

其中：η为斯托克斯一阶波波面函数；x为沿波浪传播方向的坐标；t为时间；H为波高；k为波数；ω为波浪频率；λ为波长；T为周期；z为沿水深方向坐标，向上为正；d为水深。

进一步的，在入口处进行松弛区域消波方法具体为：通过在动量方程中添加源项q_φ，使得波浪在近速度入口时逐渐变为入射波，源项表达式如下：