阅读说明：本技术 一种物体在洋流中下落的数值仿真方法及系统 (Numerical simulation method and system for object falling in ocean current ) 是由 马昕 陈文姝 宋锐 荣学文 田国会 李贻斌 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种物体在洋流中下落的数值仿真方法及系统,其中,根据初始水池参数和初始物体参数,建立水池模型和物体模型；根据预设的网格参数对水池模型进行网格划分；根据预设的洋流参数,设置水池模型的边界条件和流体运动参数,形成仿真洋流模型；根据预设的物理参数,建立物体模型在液体中自由下落模型；所述自由下落模型建立步骤包括设置物体模型下落的动网格：生成六面体区域的背景网格；将物体模型下落的子网格通过overset网格嵌入到背景网格中；将物体模型在液体中自由下落模型导入仿真洋流模型中,启动仿真步骤；本发明方便的模拟不同物体在不同洋流情况下的下落的过程,成本更低。(The invention provides a numerical simulation method and a numerical simulation system for falling of an object in ocean current, wherein a pool model and an object model are established according to initial pool parameters and initial object parameters; carrying out mesh division on the pool model according to preset mesh parameters; setting boundary conditions and fluid motion parameters of the pool model according to preset ocean current parameters to form a simulation ocean current model; establishing a free falling model of the object model in the liquid according to preset physical parameters; the free fall model building step comprises the steps of setting a falling moving grid of the object model: generating a background grid of the hexahedral area; embedding the sub-grid of the object model falling into the background grid through the overset grid; introducing the free falling model of the object model in the liquid into a simulation ocean current model, and starting a simulation step; the device can conveniently simulate the falling process of different objects under different ocean current conditions, and has lower cost.)

一种物体在洋流中下落的数值仿真方法及系统

技术领域

本发明属于数值建模与仿真领域，尤其涉及一种物体在洋流中下落的数值仿真模型建立及方法分析。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着对深海资源的探索逐渐增多，深海起重机在海洋中下放物体的作业被运用得越来越广泛。因为作业环境日益复杂，深海起重机在海上作业时，负载在进入水中后下落的过程出现了许多干扰问题。负载可能会由于海浪、洋流以及船舶自身的航行而不能安全到达目的放置点。这样就有可能造成甲板与负载之间的碰撞，产生损坏，或者缆绳因张力过大而断裂从而带来更严重的安全问题。所以在海洋升降过程中的负载在水流中的受力和运动情况进行研究是很有必要的。同时，研究刚体在流体中的运动具有广泛的科学意义和技术应用价值，也为实际水利工程设计提供有价值的参考。

发明人发现，为了使物体平稳的在洋流中下落，并实现对洋流中下落物体的有效控制，事先应该先获得物体在洋流中下落时的运动路径、运动速度以及物体所受到的洋流作用力。因此物体在洋流中下落的数值仿真及模型建立就十分必要。

目前，对海上起重机的大多数研究主要集中在起重机船体的分析上，而忽略了水下有效负载的运动以及水下洋流对有效负载运动的影响，如何确保负载物体下落过程的安全性，特别是当水有一定的流速的时候，是目前急需要解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，对水下物体在洋流中下落的研究至关重要，本发明考虑了洋流模型，将能够准确预测物体的运动状态以便更好地对物体进行控制，通过设置洋流模型，能够极大的方便和简化工程巨大、价格昂贵的物理实验，而且实验结果将更加准确。

对此，本发明的目的是提供基于OpenFOAM的物体在洋流中下落的数值仿真模型建立方法，其可以方便的模拟任意形状、尺寸的物体在不同参数的洋流条件下的下落情况，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，具有很大的灵活性和广泛的实用性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种物体在洋流中下落的数值仿真方法，包括：

根据初始水池参数和初始物体参数，建立水池模型和物体模型；

根据预设的网格参数对水池模型进行网格划分；根据预设的洋流参数，设置水池模型的边界条件和流体运动参数，形成仿真洋流模型；

根据预设的物理参数，建立物体模型在液体中自由下落模型；所述自由下落模型建立步骤包括设置物体模型下落的动网格：生成六面体区域的背景网格；将物体模型下落的子网格通过overset网格嵌入到背景网格中；

将物体模型在液体中自由下落模型导入仿真洋流模型中，启动仿真步骤，仿真输出物体模型在各个方向上的运动轨迹、运动速度以及受力参数的变化情况。

第二方面，本发明提供一种物体在洋流中下落的数值仿真系统，包括：

模型构建模块，其用于根据初始水池参数和物体参数，建立水池模型和物体模型，形成仿真水池环境，并根据预设的网格参数对水池模型进行网格划分；

仿真洋流环境形成模块，其用于根据预设的洋流参数，设置模型的边界条件，形成仿真洋流模型；

仿真重力环境模块，其用于根据预设的物体参数，设置重力参数，形成重力环境，建立物体在液体中自由下落的模型；

仿真模块，其用于将预设的具有初速度的物体模型自由下落模型导入洋流模型中，启动仿真步骤，进行模拟计算，输出物体在各个方向上的运动轨迹、运动速度以及受力参数的变化情况，并得到这些参数随时间变化的图像。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的物体在洋流中下落的数值仿真方法中的步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述的物体在洋流中下落的数值仿真方法中的步骤。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

1、本发明的物体在洋流中下落的数值仿真方法，可以方便的模拟任意形状、尺寸的物体在不同参数的洋流条件下的下落情况，成本更低，模型的建立和设置也更加的灵活，具有很大的灵活性和广泛的实用性。

2、本发明提供的一种物体在洋流中下落的数值仿真方法，为了使物体平稳的在洋流中下落，实现对洋流中下落物体的有效控制，采用根据预设的物理参数，建立包括物体模型下落的动网格的自由下落模型，能够与洋流模型配合实现高精度模拟物体落入洋流的状态，高效精确的获得物体在洋流中下落时的运动路径、运动速度以及物体所受到的洋流作用力，误差很小，对于物体在洋流中下落的数值仿真及模型建立具有技术参考作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例的一种物体在洋流中下落的数值仿真方法流程图；

图2是本发明实施例的水池模型；

图3是本发明实施例的仿真模型坐标系；

图4是本发明实施例的overset网格示意图；

图5是圆柱的垂直位置从静止状态下降的演变过程；

图6是本发明实施例的物体在洋流中下落的仿真结果；

图7(a)是本发明实施例的水平圆柱在洋流中下落的圆柱轨迹数据；

图7(b)是本发明实施例的水平圆柱在洋流中下落的水平速度数据；

图7(c)是本发明实施例的水平圆柱在洋流中下落的竖直速度数据；

图7(d)是本发明实施例的水平圆柱在洋流中下落的水平受力数据；

图7(e)是本发明实施例的水平圆柱在洋流中下落的竖直受力数据；

图8是本发明实施例的一种物体入水的数值仿真系统结构示意图。

具体实施方式

：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本发明提供了一种物体在洋流中下落的数值仿真方法，包括：根据初始水池参数和初始物体参数，建立水池模型和物体模型；

根据预设的网格参数对水池模型进行网格划分；根据预设的洋流参数，设置水池模型的边界条件和流体运动参数，形成仿真洋流模型；

根据预设的物理参数，建立物体模型在液体中自由下落模型；所述自由下落模型建立步骤包括设置物体模型下落的动网格：生成六面体区域的背景网格；将物体模型下落的子网格通过overset网格嵌入到背景网格中；

将物体模型在液体中自由下落模型导入仿真洋流模型中，启动仿真步骤，仿真输出物体模型在各个方向上的运动轨迹、运动速度以及受力参数的变化情况。

进一步的，所述建立水池模块的步骤包括：通过blockMesh确定水池和物体上各个点的坐标值，建立起水池和物体的边界条件；水池和物体的网格参数为网格在三维坐标系中的间距，将间距值根据预设情况设置为均匀变化的值。

进一步的，所述仿真洋流模型模拟了一种流体流动的速度和方向均一致的均匀流；洋流模型的边界条件的设置，水池的上下壁面边界条件设置为wall，以防水漏出上下边界；出口处的流体速度U和压力p的边界条件设置为零梯度。

进一步的，所述预设的物理参数包括：物体的重力参数。

进一步的，为了表示物体模型在洋流模型中的姿态，定义了两个笛卡尔坐标系，分别为世界坐标系和负载坐标系。

进一步的，(o_gx_gy_g)为世界坐标系，其中原点固定在数值槽底部左侧，O_gxg与自由面平行，O_gy_g垂直向上；(O_cx_cy_c)是负载坐标系，其O_c固定在负载质心，O_cx_c与O_gx_g平行，方向相同，O_gy_g与O_cy_c平行，方向相反；负载速度由水平速度u和垂直向下速度v组成。

进一步的，所述洋流模型包括固定圆柱绕流模型和洋流-空气模型；所述固定圆柱绕流模型为水池模型的上下边界都是固壁的洋流模型，用于模拟验证圆柱绕流的数据；所述洋流-空气模型为在圆柱绕流模型的基础上，洋流上部设置有少量空气来防止气液压力的不平衡；洋流-空气模型可以用于后面与自由下落物体模型的合并。

进一步的，所述物体下落的动网格设置具体步骤包括：

使用blockMesh生成六面体区域的背景网格；

物体模型的子网格通过overset网格嵌入到背景网格中；子网格可以在背景网格中自由移动，子网格与背景网格彼此独立；

设置负载的大小和形状，通过设置物体网格的初始位置坐标并产生物体网格。

构建物体模型下落的方程。

实施例2

该实施例公开了一种物体在洋流中下落的数值仿真模型建立的方法，具体为：

图1是本实施例的一种物体在洋流中下落的数值仿真方法流程图。

如图1所示，本实施例的物体在洋流中下落的数值仿真方法，包括：

根据初始水池参数和物体参数，建立水池模型和物体模型，形成仿真水池环境，并根据预设的网格参数对水池模型进行网格划分；

根据预设的洋流参数，设置水池模型的边界条件，以及流体流动的参数，形成仿真洋流模型；

根据预设的物体参数，设置重力参数，形成重力环境，建立物体在液体中自由下落的模型；

将预设的具有初速度的物体自由下落模型导入预先设置好的洋流模型中，启动仿真步骤，进行模拟计算，输出物体在各个方向上的运动轨迹、运动速度以及受力参数的变化情况，并得到这些参数随时间变化的图像。

将z轴方向上的网格数量设置为1，得到的数值水池如图2所示。

为了表示物体在洋流中的姿态，定义了两个笛卡尔坐标系。本实施例仿真二维物体在洋流中下落。如图3所示，(o_gx_gy_g)为世界坐标系，其中原点固定在数值槽底部左侧，O_gx_g与自由面平行，O_gy_g垂直向上。(O_cx_cy_c)是负载坐标系，其O_c固定在负载质心，O_cx_c与O_gx_g平行，方向相同，O_gy_g与O_cy_c平行，方向相反。负载速度由水平速度u和垂直向下速度v组成。

(1)设置数值水池的大小及网格尺寸

数值水池的设置采用OpenFOAM自带的网格生成工具blockMesh产生网格，blockMesh是一个分块生成网格的程序，本发明将整个计算域视为一个大块。在计算过程中将计算区域设置尽量大，这样可以使计算不受周围固定壁面的影响。

(2)洋流模型

在整个仿真模型中，通过对整个数值水池的初始条件及边界条件的设置，来实现数值水池流体的流动十分关键。我们设置的洋流模型模拟了一种流体流动的速度和方向均一致的均匀流。洋流从左侧流入，并从右侧流出。因此，在整个洋流模型的设置中，边界条件的设置尤为重要。

预设的洋流参数：

1)固定圆柱绕流模型

blockmesh：

由于设置的水池是二维模型，所以在front和back面上，边界类型设置为empty；圆柱的边界条件设置为wall；流场的上下边界采用对称边界条件，以减少阻塞率对流动的影响；其余的边界条件均设置为patch。

U：

入口边界条件设置为fixedValue，并且将流场internalField的内部速度设置为与入口速度相同的值；在流场模型的出口，速度U设置为zeroGradient。固体圆柱设置为固定值零。

p:

在流场模型的入口处，流体压力p的边界条件设置为zeroGradient。在流场模型的出口，压力p设置为fixedValue。

2)洋流-空气模型

alpha.water：

上方和左上侧的空气边界条件设置为固定值零；入口处设置为固定值，并且将值设为internalField；出口处类型设置为variableHeightFlowRate(并将lowerBound设为1；upperBound设为0)，该边界条件提供了基于局部流动条件的相分数条件，从而将值限制为位于用户指定的上限和下限之间。水池底部的固壁边界条件设置为slip。

blockmesh：

由于设置的水池是二维模型，所以在front和back面上，边界类型设置为empty；其余的边界条件均设置为wall，以防水漏出边界。

U：

上方和左上侧的空气边界条件设置为pressureInletOutletVelocity；入口处，将指定边界条件的速度U设置为fixedValue，并且将流场internalField的内部速度设置为与入口速度相同的值。出口，速度U设置为zeroGradient，水池底部设置为slip。

p:

上方和左上侧的空气边界条件设置为totalPressure；入口处，流体压力p的边界条件设置为fixedFluxPressure(其中gradient和value的值都要设置为uniform0)。出口处，压力p设置为zeroGradient。水池底部设置为slip。

此处我们先后设置了两种洋流模型。第一种是水池模型的上下边界都是固壁的洋流模型，用于模拟验证圆柱绕流的数据，以保证洋流参数设置的正确性。第二种是在第一种的基础上，洋流上部设置有少量空气来防止气液压力的不平衡。这个模型可以用于后面与自由下落物体模型的合并。

通过仿真软件设置的均匀流较为稳定，控制方便，流速大小的改变只需对参数的设置进行修改即可。在实验过程中，无论是对固定物体还是对下沉物体，所测得的实验数据都具有较小的误差和较高的参考性。

(3)物体下落的动网格设置

为了正确获得物体的速度和轨迹，本文使用blockMesh生成六面体区域的背景网格。在此基础上，物体的子网格通过overset网格嵌入到背景网格中。由于对象的简单结构，背景的网格密度是均匀的。图4是用于模拟物体在流体中下落的overset网格。子网格可以在背景网格中自由移动，但是这两个网格彼此独立。尽管在整个计算过程中对象位移很大，但是只有两个网格的相对位置会发生变化，并且两个网格的网格形状不会发生变化。网格的每个部分都可以交换数据，因此我们可以计算整个流场。

设置负载的大小和形状。本发明采取了形状相对规则、简单的负载，因此也是直接利用OpenFOAM中的blockMesh直接设置物体网格的初始位置坐标并产生物体网格。但是当前模型也可以处理形状较为复杂、不规则的负载，面对此种情况，可以先使用第三方的CAD制图软件将物体网格绘制完成之后，导入到OpenFOAM之中。

(4)构建物体下落的方程

我们实验中的水被设定为二维粘性不可压缩流体，因此连续性方程和Navier-Stokes方程的基本控制方程如下所示：

其中是拉普拉斯算子，t是时间，x是位置向量，u是速度向量，g是重力加速度，ρ是流体密度，μ是流体粘度。p^*可以定义为：

p^*＝p-ρg·x

在constant文件夹中加入设置重力场的g文件，文件中设置重力加速度的大小和方向。如果想模拟自由落体运动可以设置物体的密度，重心及其质量。根据实际情况添加约束条件，可以仿真缆绳往下吊装物体的过程。

(5)将洋流加入模型并使用求解器的求解

在将设置的重力模型的动网格、重力场和求解器设置好后，我们按照洋流模型中对整个数值水池的初始条件及边界条件的设置对重力模型的初始条件及边界条件进行设置。本实施例使用不可压缩多相流求解器overInterDyMFoam，多相流动求解器overInterDyMFoam是建立在质量守恒定律、动量守恒定律和体积分数输运定律的基础上的。

在每个时间步中首先通过六自由度(6-DOF)运动方程求解物体的运动参数，再通过运动参数更新overset动网格。求解器首先将描述流体运动的质量守恒方程公式和动量守恒方程公式通过在整个计算空间域和时间域上积分的方式离散成一系列的代数方程，如此每一个微小的网格单元都有方程来描述，然后通过联立迭代求解这些方程，得到每一个方程的近似解，然后就得到了每一个微小单元的物理参数，然后就得到了整个洋流水池的物理参数，然后更新参数并进行下一次迭代直至迭代完成。

(6)数据处理和分析方法

求解完成后通过软件paraview软件来查看结果信息，观察物体在洋流中的运动情况、速度变化情况、流体的压力变化情况等。把具体数值信息提取到Excel文件中，通过MATLAB软件将数据整理，得到负载所受到的水平力和垂直力、负载的运动速度以及运动轨迹随时间变化的图像等，方便对不同情况的运动进行对比分析。

下面基于OpenFOAM的物体在洋流中下落的具体仿真实验：

水平圆柱垂直水面落水(水流速度为零)：

按上述步骤建立数值计算水池，在初始时刻，设置圆柱初始的下落速度为0。在计算过程中每0.1s输出一次数据。我们从时间t＝0开始，每隔0.2s提取圆柱的位置。图5示出了圆柱的垂直位置从静止状态下降的演变过程，并与实际实验进行了比较。从圆柱滴的位置演变可以看出，在相同的前提下，它与参考实验的结果基本相符，也与运动的实际状态相符，比物理更加方便与经济。

水平圆柱垂直水面落水(水流速度不为零)：

按上述步骤建立数值计算水池，在初始时刻，水平圆柱的最低点与水平面重合，设置圆柱的下落速度为0.5m/s，水流速度分别为0.1m/s和0.2m/s。在计算过程中每0.001s输出一次数据。最终得到的圆柱在洋流中自由下落的仿真结果。图6所示为paraview显示结果。

将圆柱的位置变化、速度变化以及受力数据提取出来，通过MATLAB画出它们随时间变化的数据图，如图7所示：

可以看到，洋流的速度对物体在水平方向上的运动有较大的影响，但在竖直方向上的影响可以忽略不计。测试出的位置变化、速度变化以及受力数据在实际工程中有非常重要的参考价值。

本实施例不仅仅可以仿真圆柱物体在洋流中自由下落，通过OpenFOAM中的blockMesh或者第三方的CAD制图软件将各种形状的物体网格绘制完成之后导入，然后在数值水池中即可仿真其在洋流中自由下落的过程。从而可以根据实际工程中的货物形状，提前进行仿真模拟，进行水动力分析，提前确定其最佳控制方案。

实施例3

图8是本实施例的一种物体在洋流中下落的数值仿真系统结构示意图。

如图8所示，本实施例提供一种物体在洋流中下落的数值仿真系统，包括：

(1)模型构建模块，其用于根据初始水池参数和物体参数，建立水池模型和物体模型，形成仿真水池环境，并根据预设的网格参数对水池模型进行网格划分；通过对整个数值水池的初始条件及边界条件的设置，来实现数值水池流体的流动。

网格参数为网格在XYZ三维坐标系中的间距，间距值均相等，且间距值为可调的数值。

(2)仿真洋流环境形成模块，其用于根据预设的洋流参数，设置模型的边界条件，形成仿真洋流模型；物体壁面和水池壁面设置为noSlip。在流场模型的入口处，将指定边界条件的速度U设置为fixedValue，并且将流场internalField的内部速度设置为与入口速度相同的值。流体压力p的边界条件设置为零梯度。在流场模型的出口，速度U设置为zeroGradient，压力p设置为fixedValue。流场的上下边界采用对称边界条件，以减少阻塞率对流动的影响。该模型不考虑重力，仅模拟流体和物体之间的相互作用。在水池模型中设置自由液面，使自由液面下方充满水，上方是空气。

(3)仿真重力环境模块，其用于根据预设的物体参数，设置重力参数，形成重力环境，建立物体在液体中自由下落的模型；

(4)仿真模块，其用于将预设的具有初速度的物体自由下落模型导入洋流模型中，启动仿真步骤，进行模拟计算，输出物体在各个方向上的运动轨迹、运动速度以及受力参数的变化情况，并得到这些参数随时间变化的图像。

在其他实施例中还提供了：

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例1所述的物体在洋流中下落的数值仿真方法中的步骤。

本实施例提供一种计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如实施例1所述的物体在洋流中下落的数值仿真方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。