申请/专利权人：大连海事大学

申请日：2023-10-12

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN117272672B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F17/15

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2024.01.09#实质审查的生效;2023.12.22#公开

摘要：本发明提供一种基于快速液固耦合模型的极地船舶破冰效果预测方法，包括：基于近场动力学方法，构建船体破冰过程数值解算模型；基于船体破冰过程数值解算模型，采用格子玻尔兹曼方法模拟冰下海水的作用，通过浸入边界法计算海冰粒子与海水之间的边界力，构建耦合考虑海水影响的极地船舶破冰效果预测模型，获取不同时刻的海冰位移及破坏情况；设计所构建预测模型的OpenCL加速计算核函数，提高预测模型的计算速度；基于不同时刻海冰位移及破坏情况评估船舶破冰效果，基于破冰效果确定船舶采用的破冰方式是否适合在航线内破冰航行。本发明方法充分考虑水对破冰过程影响的船舶破冰过程数值解算，解决了常规串行算法的计算速度难以满足工程需要的问题。

主权项：1.一种基于快速液固耦合模型的极地船舶破冰效果预测方法，其特征在于，包括：S1、基于近场动力学方法，构建船体破冰过程数值解算模型；S2、基于构建的船体破冰过程数值解算模型，采用格子玻尔兹曼方法模拟冰下海水的作用，通过浸入边界法计算与海水直接接触的海冰粒子r受到的来自海水的边界力进而构建耦合考虑海水影响的极地船舶破冰效果预测模型，获取不同时刻的海冰位移及破坏情况；所述步骤S2，具体包括：S21、将海水空间离散为有限个网格点，再将每个网格点的海水分子根据其运动情况离散为有限个运动速度方向，每个运动速度方向的海水分子个数占该网格点所有海水分子个数的比例称之为速度分布函数，以海水速度分布函数为基础变量的格子玻尔兹曼方法控制方程分为两步，分别为迁移步和碰撞步：迁移步：碰撞步：其中，表示在t+Δt时刻空间位置处沿α离散速度方向迁移后的分布函数，表示在t时刻空间位置处沿α离散速度方向碰撞后的分布函数，表示在t+Δt时刻空间位置处沿α离散速度方向的平衡分布函数，表示在t+Δt时刻空间位置处沿α离散速度方向碰撞后的分布函数，是指在t+Δt时刻空间位置处沿α离散速度方向的外力分布，Δt表示时间步长，τ代表弛豫时间，其与运动粘度υ之间的关系为cs为格子声速；S22、在格子玻尔兹曼方法中，迁移步中的为离散速度模型，离散速度模型的选择也尤为重要，对于不同类型的物理问题应选择适合的离散速度模型，因本发明应用其模拟海水的作用，属于三维不可压缩问题，故选择D3Q19模型作为离散速度模型，离散速度模型描述为： 其中，c为格子速度；S23、确定离散速度模型后，确定平衡分布函数如下式所示： 其中，cs为格子声速，ρw是指海水的密度，是指海水的速度，ωα是指权重系数，对于D3Q19模型而言，权重系数ωα如下式所示： S24、确定外力分布Fα与实际所受外力之间的关系，如下： S25、确定海水速度分布函数fα与海水密度ρw和海水速度间存在如下关系： S26、基于格子玻尔兹曼方法结合浸入边界法实现海冰与海水边界力的计算，根据浸入边界法，与海水直接接触的海冰粒子r受到的来自海水的边界力表示为： 其中，表示与海水直接接触海冰粒子r的速度修正项，其进一步表示为： 其中，表示中间速度，指的是位置xr处未受到边界力时的海水速度；S27、不考虑海水作用时的海冰粒子速度由近场动力学方法算得，海冰粒子r由于位置xr并不一定位于格子玻尔兹曼方法的网格点上，中间速度由其附近一定范围内的格子玻尔兹曼方法网格点上的海水速度利用光滑Delta函数插值得到，具体表示为： 其中，uwxij表示海冰粒子r附近一定范围内格子玻尔兹曼方法网格点坐标xij处的海水速度，h表示网格分辨率，δh表示4点光滑Delta函数如下式所示： S28、计算网格点海水受到的来自海冰粒子的边界力与之间的关系为： 其中，Δs表示两个相邻拉格朗日点间的弧长；S3、设计所构建预测模型的OpenCL加速计算核函数，基于获得的不同时刻海冰位移及破坏情况评估船舶破冰效果，基于破冰效果确定船舶采用的破冰方式是否适合在航线内破冰航行。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 大连海事大学 一种基于快速液固耦合模型的极地船舶破冰效果预测方法

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