一种极地海洋平台水动力预报方法

本发明涉及一种极地海洋平台水动力预报方法，涉及船舶与海洋工程领域。

背景技术：

1、极地地区蕴藏着丰富的自然资源，是目前尚未被大规模开发的资源宝库。据科考资料统计，北极地区潜在可采石油达1000～2000亿桶，天然气储量达50～80万亿立方，约占世界油气资源总量的22％，此外还蕴藏着丰富的金属和非金属矿藏；南极地区也是一个自然资源的“大仓库”，存储着全球70％的淡水，220余种矿物，还有储藏量巨大的磷虾等众多生物资源。丰富的资源以及由此带来的经济、战略价值等，使得对极地资源的开发和利用迫在眉睫。

2、近年来，随着全球气候变暖，海冰面积逐渐缩减，采用海洋平台开采极地资源成为了可能。然而，极地地区常有海冰覆盖，作业其中的海洋平台与水、冰间的耦合作用，使得海洋平台的水动力特性十分复杂，在某些情况下甚至会发生共振，对海洋平台的安全性构成巨大的威胁。鉴于此，寻求一种合理而有效的方法以准确预报极地海洋平台的水动力，对极地海洋装备的设计、使用以及安全等具有重要意义。目前，cn116796661a公开了一种自由面港内耦合水动力的船舶运动预报方法，其给出了结合格林函数法，考虑了船、波浪、自由面港口三者耦合作用下的水动力问题，以提供计算的精度和计算效率，但其技术方案中并未考虑到海洋冰面作用下的水动力问题，如何解决上述问题，是本领域技术人员致力于研究的方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种极地海洋平台水动力预报方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种极地海洋平台水动力预报方法，包括以下步骤：

4、1)建立海洋平台-冰-水耦合作用数值模型

5、假定冰覆盖下的流体是均匀不可压缩的理想流体、流动无旋，在频域框架下，流场中任意一点的运动以速度势表示，具体的：

6、在流域内速度势φj(x,y,z)满足拉普拉斯控制方程；

7、在不存在冰覆盖的水面sf上的速度势φj(x,y,z)满足自由面条件；

8、在冰覆盖的水面si上，通过将冰层视为弹性薄板，根据弹性力学中薄板的受迫振动微分方程推导得到相应的边界条件，具体为：

9、

10、式中：

11、这里，l为冰层的抗弯刚度；ρw表示水的密度；ρi表示冰的密度；t为冰层的厚度，j＝1,2,3…6；

12、2)基于自由面和冰面格林函数构建边界积分方程

13、采用满足自由面条件的格林函数gf和满足冰覆盖水面条件的格林函数gi为核函数构建边界积分方程耦合求解速度势，具体的：

14、在无冰覆盖水域和冰覆盖流域构建的边界积分方程为：

15、

16、式中：p为场点，q为源点；c(p)为p处的固角系数；gf(p,q)为自由面格林函数；gi(p,q)为满足冰覆盖的水面条件的冰面格林函数，

17、gi(p,q)＝1/r(p,q)+1/r2(p,q)+g*(p,q)，

18、式中，

19、

20、其中，s1(k)＝(dk4+1-εk0)k+k0；s2(k)＝(dk4+1-εk0)ktanh(kh)-k0；s2'(k)为s2(k)的导数，κ为s2(k)的零点；k0＝ω2/g，g为重力加速度；为第一类0阶bessel函数；h为水深；

21、3)离散边界并求解速度势

22、通过将海洋平台表面s0和冰覆盖流域与自由面流域的交界面sc离散为一系列面元，并耦合求解步骤2)所构建的边界积分方程，以获得速度势φj(x,y,z)；

23、4)计算海洋平台的水动力响应

24、将步骤3)得到的速度势代入bernoulli方程，得到流体动压强，而后将动压强沿海洋平台表面进行积分，从而得到作用在海洋平台上的水动力。

25、作为一种具体的实施方式，步骤2)中冰面格林函数及其法向导数的面积分的求解过程如下：

26、21)计算g*及其法向导数的垂向积分：

27、

28、式中：和分别表示g*及其法向导数沿垂直方向的积分；其中，ζ1和ζ2分别为垂直方向积分的下限和上限；n为海洋平台表面内法向量；

29、22)将面元离散为一定数量的垂直线段，采用上述公式计算出每条垂直线段上的线积分，再将它们加权求和得到g*及其法向导数的面积分：

30、

31、式中：和分别表示g*及其法向导数的面积分；nv为用于离散面元的垂直线段数；wj(j＝1,2,...,nv)为权系数；

32、23)通过步骤22)求解得到的g*及其法向导数的面积分，计算冰面格林函数及其法向导数的面积分。

33、作为一种具体的实施方式，步骤4)中，将步骤3)得到的速度势代入bernoulli方程，得到流体动压强为：

34、

35、将上述压强p沿海洋平台表面积分，得到作用在海洋平台上的水动力：

36、

37、其中，μij和λij分别附加质量和阻尼系数。

38、作为一种具体的实施方式，步骤1)中，t为冰层的厚度；y和υ分别为冰层杨氏弹性模量和泊松比。

39、与现有技术相比，本发明的有益之处是：本发明是基于频域势流框架下构建速度势所满足的控制方程和边界条件，并通过在自由面流域和冰覆盖流域分别以满足自由面条件的格林函数gf和满足冰覆盖水面条件的格林函数gi为核函数构建边界积分方程耦合求解，进而预报极地海洋平台的水动力响应，采用本发明的预报方法能够有效且准确的预报极地海洋平台的水动力。

技术特征：

1.一种极地海洋平台水动力预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种极地海洋平台水动力预报方法，其特征在于，步骤2)中冰面格林函数及其法向导数的面积分的求解过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种极地海洋平台水动力预报方法，其特征在于，步骤4)中，将步骤3)得到的速度势代入bernoulli方程，得到流体动压强为：

4.根据权利要求1所述的一种极地海洋平台水动力预报方法，其特征在于，步骤1)中，t为冰层的厚度；y和υ分别为冰层杨氏弹性模量和泊松比。

技术总结本发明公开了一种极地海洋平台水动力预报方法，包括以下几个步骤：1）建立海洋平台‑冰‑水耦合作用数值模型；2）基于自由面和冰面格林函数构建边界积分方程；3）离散边界并求解速度势；4）计算海洋平台的水动力响应。本发明的预报方法是基于频域势流框架下构建速度势所满足的控制方程和边界条件，并通过在自由面流域和冰覆盖流域分别以满足自由面条件的格林函数G<supgt;F</supgt;和满足冰覆盖水面条件的格林函数G<supgt;I</supgt;为核函数构建边界积分方程耦合求解，进而预报极地海洋平台的水动力响应，采用本发明的预报方法能够有效且准确的预报极地海洋平台的水动力。技术研发人员：杨云涛,高慧受保护的技术使用者：张家港江苏科技大学产业技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/2