一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法

摘要

本申请公开了一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法及系统设备，所述方法包括：获取桥墩网格，并利用水‑沙‑床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果；识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整；根据调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果。本申请通过调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果，使得得到的第二计算结果是根据调整后的畸变网格计算得到的，进而避免了网格畸变导致计算发散的问题，极大的提高了桥墩冲刷的模拟效果及精度。

说明书

技术领域

本申请涉及动网格修复领域，特别涉及一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法及系统设备。

背景技术

随着我国桥梁建设的迅速发展，桥梁安全性问题也越来越突出。桥梁下部的桥墩及基础结构周围受到水流作用而产生冲刷。床面由于冲刷而降低，致使基础埋置深度变小，桥梁结构不满足承载力要求，甚至发生桥墩倾覆毁坏、桥梁变位塌落等。据统计桥梁坍塌事故中有60％是由于桥墩冲刷引起的，因此如何精确模拟桥墩冲刷情况，以保证桥梁在冲刷情况下的安全稳定运营成为当下需要迫切解决的问题。

随着计算机数值仿真模拟技术的发展，基于计算流体动力学的精细化数值模拟已成为一种重要的科学研究手段和工程应用工具。针对桥墩局部冲刷的精细化数值模拟，通常采用动网格的方法来实时模拟床面变形。然而，在模拟冲刷剧烈的情况下，这种床面大变形会导致底部床面附近第一层网格变形过大，会出现网格畸变导致计算发散的问题，进而导致桥墩冲刷的模拟效果精度较低。

因此，如何提高桥墩冲刷的模拟效果及精度是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法、系统、设备及可读存储介质，用于提高桥墩冲刷的模拟效果及精度。

为解决上述技术问题，本申请提供一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法，该方法包括：

获取桥墩网格，并利用水-沙-床面耦合模型对所述桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果；

识别动网格计算后所述桥墩网格中的畸变网格，并对所述畸变网格进行调整；

根据调整后的桥墩网格对所述第一计算结果进行数据插值处理，得到每个所述网格节点的第二计算结果；

当所述第二计算结果满足预设收敛条件时，将每个所述网格节点的第二计算结果输出。

可选的，利用水-沙-床面耦合模型对所述桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果，包括：

分别利用水动力模型、输沙模型和床面变形模型对所述桥墩网格进行计算，得到对应的计算结果；

对模型交汇处网格节点的计算结果进行数据传递，得到所述水-沙-床面耦合模型；

利用所述水-沙-床面耦合模型采用动网格的方法，根据每个时间步长内求得的床面变形量对每个所述网格节点进行变形，并计算变形后每个所述网格节点的第一计算结果。

可选的，所述识别动网格计算后所述桥墩网格中的畸变网格，包括：

输出动网格计算后所述桥墩网格中每个所述网格节点的坐标；

沿垂向方向逐层扫描每个所述网格节点，并将网格高度突变大于第一阈值的网格标定为畸变网格。

可选的，在输出动网格计算后所述桥墩网格中每个所述网格节点的坐标之后，还包括：

对具有相同垂向坐标的网格节点进行坐标规整化。

可选的，对所述畸变网格进行调整，包括：

计算所述畸变网格相邻两节点的高度的平均值，并将所述畸变网格的网格高度更新为所述平均值。

可选的，所述获取桥墩网格，包括：

采用OpenFOAM中的blockMesh工具对输入的桥墩模型进行网格划分，得到所述桥墩网格。

可选的，还包括：

当所述第二计算结果不满足所述预设收敛条件时，将每个所述第一计算结果的值更新为所述第二计算结果，并返回执行根据预设规则识别动网格计算后所述桥墩网格中的畸变网格，并对所述畸变网格进行调整的步骤。

本申请还提供一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复系统，该系统包括：

获取模块，用于获取桥墩网格，并利用水-沙-床面耦合模型对所述桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果；

识别模块，用于识别动网格计算后所述桥墩网格中的畸变网格，并对所述畸变网格进行调整；

插值模块，用于根据调整后的桥墩网格对所述第一计算结果进行数据插值处理，得到每个所述网格节点的第二计算结果；

输出模块，用于当所述第二计算结果满足预设收敛条件时，将每个所述网格节点的第二计算结果输出。

本申请还提供一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备，该模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法的步骤。

本申请还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法的步骤。

本申请所提供模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法，包括：获取桥墩网格，并利用水-沙-床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果；识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整；根据调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果；当第二计算结果满足预设收敛条件时，将每个网格节点的第二计算结果输出。

本申请所提供的技术方案，通过利用水-沙-床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果，然后识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整，最后通过调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果，使得得到的第二计算结果是根据调整后的畸变网格计算得到的，进而避免了网格畸变导致计算发散的问题，极大的提高了桥墩冲刷的模拟效果及精度。本申请同时还提供了一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复系统、设备及可读存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种桥墩周围计算网格划分情况示意图；

图3为图1所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法中S101的一种实际表现方式的流程图；

图4为本申请实施例所提供的一种数据插值处理的原理图；

图5为本申请实施例所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复系统的结构图；

图6为本申请实施例所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备的结构图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法、系统、设备及可读存储介质，用于提高桥墩冲刷的模拟效果及精度。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法的流程图。

其具体包括如下步骤：

S101：获取桥墩网格，并利用水-沙-床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果；

随着计算机数值仿真模拟技术的发展，基于计算流体动力学的精细化数值模拟已成为一种重要的科学研究手段和工程应用工具。针对桥墩局部冲刷的精细化数值模拟，通常采用动网格的方法来实时模拟床面变形。然而，在模拟床面冲刷尤其是冲刷剧烈时，贴近底部床面的网格会出现突变甚至畸变使得网格质量很差，进而导致桥墩冲刷的模拟效果及精度较低，故本申请提供了一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法，用于解决上述问题。

在一个具体实施例中，这里提到的获取桥墩网格，其具体可以为：

采用OpenFOAM中的blockMesh工具对输入的桥墩模型进行网格划分，得到桥墩网格。

在此基础上，请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种桥墩周围计算网格划分情况示意图，如图2所示，可以采用如下分块划分方式：

1)靠近桥墩周围的网格采用贴体性较好的弧形网格，同时加密网格从而精细化模拟桥墩周围流场和床面冲刷；

2)远离桥墩区，采用较粗的规则六面体网格从而提高计算速度。

在一个具体实施例中，步骤S101中所描述的利用水-沙-床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果，其具体也可以通过执行图3所示的步骤实现，下面请参考图3，图3为图1所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法中S101的一种实际表现方式的流程图，其具体包括以下步骤：

S401：分别利用水动力模型、输沙模型和床面变形模型对桥墩网格进行计算，得到对应的计算结果；

S402：对模型交汇处网格节点的计算结果进行数据传递，得到水-沙-床面耦合模型；

S403：利用水-沙-床面耦合模型采用动网格的方法，根据每个时间步长内求得的床面变形量对每个网格节点进行变形，并计算变形后每个网格节点的第一计算结果。

冲刷的数值模拟涉及到水动力模型、输沙模型以及床面变形等子模型，在一个具体实施例中，对各子模型的控制方程采用有限体积的离散方法进行数值计算，方程的数值求解采用基于开源CFD程序OpenFOAM实现。床面变形的模拟采用动网格的方法，跟据每个时间步长内求得的床面变形量，调整底层网格的变形，具体可以通过如下方式进行：

将水动力模型、输沙模型和床面变形模型分别在不同的计算网格中求解，得到各自的物理变量结果，然后通过对应网格节点位置处的变量数据传递，实现水-沙-床面的耦合。其中水动力计算网格为计算域内的全部网格；推移质输沙计算网格只在底部床面附近计算，因此计算网格为底部床面处网格；悬移质输沙计算网格为推移质输沙层之上的网格；床面变形的计算网格为底部床面处的网格。

不同网格间变量数据传递过程如下：首先，在水动力计算网格中求解水动力模型，得到水动力变量结果；之后将水动力变量结果分别传递到推移质计算网格和悬移质计算网格中求解得到推移质输沙率和悬移质输沙量；最后将推移质输沙和悬移质输沙结果传递到床面变形网格求解床面高程变化。当床面变形网格计算完之后，水动力计算网格节点运动通过求解拉普拉斯方程获得：

式中u

式中λ

式中u

x

式中x

S102：识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整；

在本步骤中，识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整，其目的在于通过调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果，使得得到的第二计算结果是根据调整后的畸变网格计算得到的，进而避免了网格畸变导致的计算发散问题，提高了桥墩冲刷的模拟效果精度。

在一个具体实施例中，这里提到的识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，其具体可以为：

输出动网格计算后桥墩网格中每个网格节点的坐标；

沿垂向逐层扫描每个网格节点，并将网格高度突变大于第一阈值的网格标定为畸变网格。

进一步的，在输出动网格计算后的桥墩网格每个网格节点的坐标之后，还包括：

对具有相同垂向坐标的网格节点进行坐标规整化。

进一步的，这里提到的对畸变网格进行调整，包括：

计算畸变网格相邻两节点的高度的平均值，并将畸变网格的网格高度更新为平均值。

在一个具体实施例中，输出网格信息主要为各网格节点的坐标(x，y，z)；扫描全部的网格节点，找出具有相同垂向坐标z的网格节点，进行网格节点坐标的规整化；识别发生畸变的网格，判断识别的原则主要根据同一层的网格高度是否保持一致，即沿z方向逐层扫描各网格，若出现网格高度突变较大可标定为畸变网格，具体计算按下式：

Δz

上式中z

根据上一步中识别出的畸变网格，人为调整畸变网格的z坐标。具体为若式(7)满足，则将z

z

逐层对各网格节点坐标进行扫描检查和调整，并输出调整后的新的网格节点坐标文件。

S103：根据调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果；

由于对网格节点坐标进行了调整，因此对于同一网格节点在修复前和修复后网格中的位置发生了变化，其对应位置处的物理变量也发生了变化，需要进行插值处理。这里请参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种数据插值处理的原理图，如图4所示，空心点为调整的网格节点，由于经过上一步节点调整后，空心点的位置发生了变化，因此当前修复后的节点上的物理变量对应的应该是修复前网格上“×”位置的物理变量，因此需要在网格数据传递时，进行插值处理，即在“×”处的物理变量通过上下相邻节点处的物理变量线性插值求得。在OpenFOAM中可以利用的mapFields工具作插值处理，将修复前网格节点上的数据插值到修复后网格的对应节点上，从而保证修复前后对应网格节点上的数据变量保持一致。

S104：当第二计算结果满足预设收敛条件时，将每个网格节点的第二计算结果输出。

在一个具体实施例中，当第二计算结果不满足预设收敛条件时，将每个第一计算结果的值更新为第二计算结果，并返回执行根据预设规则识别动网格计算后的畸变网格，并对畸变网格进行调整的步骤。

基于上述技术方案，本申请通过利用水-沙-床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果，然后识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整，最后通过调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果，使得第二计算结果是根据调整后的畸变网格计算得到的，进而避免了网格畸变导致的计算发散问题，极大的提高了桥墩冲刷的模拟效果及精度。

请参考图5，图5为本申请实施例所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复系统的结构图。

该系统可以包括：

获取模块100，用于获取桥墩网格，并利用水-沙-床面耦合模型对桥墩网格进行动网格计算，得到每个网格节点的第一计算结果；

识别模块200，用于识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整；

插值模块300，用于根据调整后的桥墩网格对第一计算结果进行数据插值处理，得到每个网格节点的第二计算结果；

输出模块400，用于当第二计算结果满足预设收敛条件时，将每个网格节点的第二计算结果输出。

在上述实施例的基础上，在一个具体实施例中，该获取模块100可以包括：

第一计算子模块，用于分别利用水动力模型、输沙模型和床面变形模型对桥墩网格进行计算，得到对应的计算结果；

交换子模块，用于对模型交汇处网格节点的计算结果进行数据传递，得到水-沙-床面耦合模型；

第二计算子模块，用于利用水-沙-床面耦合模型采用动网格的方法，根据每个时间步长内求得的床面变形量对每个网格节点进行变形，并计算变形后每个网格节点的第一计算结果。

在上述实施例的基础上，在一个具体实施例中，该识别模块100可以包括：

输出子模块，用于输出动网格计算后桥墩网格中每个网格节点的坐标；

扫描子模块，用于沿垂向方向逐层扫描每个网格节点，并将网格高度突变大于第一阈值的网格标定为畸变网格。

在上述实施例的基础上，在一个具体实施例中，该识别模块100还可以包括：

规整子模块，用于对具有相同垂向坐标的网格节点进行坐标规整化。

在上述实施例的基础上，在一个具体实施例中，该识别模块200可以包括：

计算畸变网格相邻两节点的高度的平均值，并将畸变网格的网格高度更新为平均值。

在上述实施例的基础上，在一个具体实施例中，该获取模块100可以包括：

划分子模块，用于采用OpenFOAM中的blockMesh工具对输入的桥墩模型进行网格划分，得到桥墩网格。

在上述实施例的基础上，在一个具体实施例中，该系统还可以包括：

更新模块，用于当第二计算结果不满足预设收敛条件时，将每个第一计算结果的值更新为第二计算结果，并返回执行根据预设规则识别动网格计算后桥墩网格中的畸变网格，并对畸变网格进行调整的步骤。

由于系统部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此系统部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

请参考图6，图6为本申请实施例所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备的结构图。

该模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备900可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)922(例如，一个或一个以上处理器)和存储器932，一个或一个以上存储应用程序942或数据944的存储介质930(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中，存储器932和存储介质930可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质930的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对装置中的一系列指令操作。更进一步地，处理器922可以设置为与存储介质930通信，在模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备900上执行存储介质930中的一系列指令操作。

模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备900还可以包括一个或一个以上电源929，一个或一个以上有线或无线网络接口950，一个或一个以上输入输出接口958，和/或，一个或一个以上操作系统941，例如Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM,LinuxTM，FreeBSDTM等等。

上述图1至图4所描述的模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法中的步骤，由模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复设备基于该图6所示的结构实现。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，功能调用装置，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上对本申请所提供的一种模拟桥墩局部冲刷大变形的动网格修复方法、系统、设备及可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。