数值波浪水槽消波器的改进与检验

数值波浪水槽技术是一种新兴的水波动力学数值模拟技术, 它能够实现水波现象的精确模拟。作为数值波浪水槽的一个重要功能, 消波技术被用于消除传入波浪在水槽末端的反射效应, 以防止反射波对有效实验区域的污染, 从而保证特定要求的水波实验的精确性。目前被广泛采用的消波技术可分为阻尼消波区和主动消波器两类。     

非线性波消波及波场分布研究

本文基于雷诺平均N-S方程,并结合RNG k-e方程建立了粘性数值波浪水槽,对不同波陡、不同相对水深、不同相对波高的非线性规则波的阻尼消波问题和波场分布进行研究。文中提出了两种描述消波区内部阻尼变化的阻尼函数,分别适用于小波陡情形和高波陡情形。研究结果表明,小波陡组消波区可设为一个波长,阻尼系数取10~4～10~5即可满足消波要求,计算结果与实验结果及造波理论吻合良好;高波陡组消波区可设为两个波长,阻尼系数取10~4～10~5亦可满足消波要求,计算结果与实验结果吻合良好。此外,当波陡较小时,波场内反射情况的小幅改变即可对整个波场造成影响,特别是当水深较浅时这种影响极为明显,需谨慎考虑。当波陡较大时,水波能量较高,整个波场沿水波传播方向可观测到明显的衰减现象,在具体试验中需进行考虑。     

基于单方向阻尼源项的数值消波方法

采用边界条件造波法与人工阻尼消波法开展波浪数值模拟时,存在自由面抬升现象,导致波浪模拟精度略有损失。为解决上述问题,提出了一种基于单方向阻尼源项的数值消波方法,通过采用VOF模型在大、小两种波陡条件下开展波浪数值模拟进行了验证,并进一步研究了阻尼系数与密度依赖性对波浪模拟精度的影响。结果表明,单方向阻尼源项能够显著降低平均自由面高度,有效抑制平均自由面抬升,进而提高波浪模拟精度。阻尼系数及密度依赖性的优取值与波陡条件有关,且阻尼系数的影响大于密度依赖性。     

数值水槽内的阻尼消波和波浪变形计算

采用时域内对波面运动位置追踪的边界元方法,建立了一种非线性波浪变形计算的三维数值模式,并借助Spongelayer阻尼消波和Sommerfeld放射条件相匹配的处理方式,开发了一条三维非线性波的数值造波水槽,进而对水槽内的Stokes波进行了波浪变形计算。     

完全非线性深水波的数值模拟

基于势流理论,并结合深水波质点运动从水面向下呈e指数衰减的特性,建立了完全非线性数值变深水槽模型,通过实时模拟活塞式造波机运动来产生波浪.采用时域高阶边界元法进行模拟,利用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法追踪流体瞬时水面,应用镜像格林函数消除了水槽两个侧面的积分,在水槽末端布置人工阻尼层来消除反射...     

非静压波浪模型无反射造波

非静压波浪模型是一种近年来得到迅速发展且有望在工程计算中获得广泛应用的波浪模型。为了在非静压波浪模型中实现无反射造波,在连续性方程中添加了质量源项进行域内源造波,并采用阻尼消波方法进行数值消波。数值算例结果表明,所建立的无反射造波方法可以较好地避免非静压波浪数学模型中的二次反射,实现长时间稳定波浪模拟。     

无限水深聚焦波完全非线性数值模拟

基于势流理论提出一种新的高阶边界元方法对无限水深的聚焦波浪进行完全非线性数值模拟.自由水面满足完全非线性边界条件,模拟波浪的非线性效果可以达到更高阶.利用镜像原理,建立一种全新的格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以致于两无限深水槽侧壁的积分可以被排除.为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置于计算域内,同时人工阻尼层被用来吸引出流波浪,由波浪聚焦的方法得到极限波浪.通过开展线性和完全非线性聚焦波浪的数值实验及与理论解对比,验证本数值模型可以用来模拟无限深水域的极限波浪,且在出流边界没有反射.     

欧拉模型模拟波浪的抑制数值耗散效应的一种简单方法

数值波浪水槽是研究波浪及波浪与结构相互作用的常用工具，可在真实尺度下产生波浪，并提供流场的详细数据。然而，大部分数值波浪水槽都存在数值耗散和数值色散问题，数值耗散使波能缓慢消散，数值弥散在波传播过程中使波频移。本文在有限差分法（FDM）求解欧拉方程的基础上，提出了一种抑制数值耗散效应的简单方法，考虑阻尼项的影响，对波的传播解进行了解析求解。该方法的主要思想是在动量方程中附加一个源项，其强度由数值阻尼效应的强度决定。本文通过对规则线性波、Stokes波和不规则波的数值模拟，验证了该方法的有效性。结果表明，本文方法可有效减小数值波浪水槽中存在的数值耗散现象。     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

斜坡堤波浪爬高和越浪数值模拟

基于FLUENT软件,采用k-ε湍流模型和VOF方法追踪自由表面,由连续性方程和动量方程推导出源函数,根据数值水槽各个区段的功能设置,借助其UDF二次开发功能,实现无反射的源造波,在验证水槽两端消波有效性的基础上,数值模拟规则波在不可渗透斜坡堤上的波浪爬高和越浪。通过与物模试验研究成果相对比,表明建立的数值水槽具有高效性和较高精度,可供实际工程参考应用。     

不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC(marker and cell)法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.     

基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究

基于光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法建立二维数值波浪水槽,利用推波板造波生成孤立波和不规则波,模拟结果跟实验值及解析解做了对比分析,结果令人满意.SPH数值水槽中生成的波浪具有明显的非线性,波浪能量沿程有所衰减,与物理水槽结果吻合良好.     

直立式防波堤迎浪面波压力计算研究

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,由连续性方程和动量方程推导出源函数。基于非线性波浪理论和UDF对FLUENT进行二次开发,在数值水槽的各个功能区将不同的源项添加到动量方程中,实现动量源造波和消波的功能。此法可以有效地消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,从而得到稳定的波动场。本文将这种方法应用于直墙防波堤上波浪压力的数值模拟,分析了造波和消波的有效性,对直立式防波堤波浪力进行了数值研究。为了得到更精确的结果,采用结构化网格和非结构化网格相结合,在直墙防波堤附近使用三角形网格,在其他区域使用四边形结构化网格,为了较好地捕捉自由液面,在液面上下一个波高的范围内对网格进行加密。将计算结果与二阶stokes波理论解进行对比,该方法计算结果与理论解一致,表明该方法能够产生历时较长的稳定的非线性规则波浪,能够很好地吸收波浪遇到建筑物产生的反射波,可以有效消除建筑物反射波的影响,为实际工程方案的设计提供参考,有较高的实用价值。通过计算得到极端高水位,设计高水位,设计低水位时候的各个测点的最大正向波压力和最大负向波压力,并将计算结果与物理模型试验数据和经验公式结果进行对比,结果吻合较好。并且由于该数值方法可以考虑防波堤迎浪面不同倾角的工况,其适应范围比经验公式范围更广,因此可以为海岸结构设计提供依据。     

楔形体在波浪中自由入水的数值模拟

物体入水时波浪的影响不可忽略,基于流体力学模型采用VOF法,并利用自定义函数,模拟了楔形体的自由入水过程;同时结合推波板原理及海绵层消波理论实现了数值水槽的造消波,完成了波浪中楔形体自由入水的模拟,计算了楔形体入水时所受的水作用力、自由液面变化及物面压强分布等,研究了不同波高、周期以及在波浪不同位置入水时对楔形体的影响。结果表明:本文建立的数值模型可很好地模拟楔形体入水造成的射流及空泡的形成发展过程,波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定,在波浪不同位置处入水对楔形体受力及入水形态均有较大影响。     

基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究

准确确定越浪量对于斜坡堤设计有重要意义。利用格子Boltzmann方法(LBM),并采用主动吸收式速度入口造波、出流边界消波、VOF方法追踪自由表面以及静态Smagorinsky模型模拟紊流运动,建立二维数值波浪水槽,对光滑斜坡堤上规则波与不规则波越浪进行数值模拟。模拟结果与试验值及其他数值模型结果比较表明,二维LBM数值波浪水槽具有模拟斜坡堤越浪的能力,但对于破碎较为剧烈的越浪过程模拟,该模型还存在一定的不足,未来可从提高自由表面模型精度等方面进一步改善其性能。     

海洋工程中直立圆柱波浪爬升问题的数值研究

本文基于Navier-Stokes方程和连续性方程,利用VOF方法捕捉自由液面和松弛造波法实行造波,建立基于黏性流体理论的三维数值波浪水槽,并在该数值波浪水槽内对圆柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟。选用两种不同的波浪参数,探讨波陡参数对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响。与势流模型相比,本文采用的黏性流模型可以较好的捕捉实验中出现的二次波峰现象。计算表明,本文建立的数值水槽可以较好用于直立圆柱波浪爬升问题的计算。     

基于物理造波和主动消波的黏性数值波浪水槽开发

基于推板造波理论和摇板造波理论,在Open FOAM平台上采用重叠网格技术建立黏性数值波浪水槽,并使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。利用开发的数值模型通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数和网格尺寸对数值精度和计算效率的影响。并对比研究了此数值模型分别嵌入层流模型和湍流模型的计算精度和计算效率。实现的规则波和二阶有限振幅波与理论结果和试验结果吻合,验证了此黏性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。基于二维数值波浪水槽,进一步研究了三维数值造波,数值计算结果与理论结果吻合良好。研究结果不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,而且为使用此黏性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。     

水下平板与波浪相互作用完全非线性数值模拟(英文)

利用完全非线性数值波浪水槽技术研究水下平板与波浪的相互作用。假定水下平板厚度极薄、刚性,位于有限水深并且非常接近自由水面。应用四阶龙格库塔方法追踪每一时刻的波面形状,采用阻尼层来吸收反射波以保证算法的稳定性,同时引入平滑和重组的方法抑制自由表面控制点的较高梯度。通过对波浪与浮动圆柱相互作用的数值模拟证实了数值波浪水槽方法的有效性,计算结果与线性理论吻合良好。在波浪数值水槽方法中引入造波板模拟波浪产生并与水下平板发生相互作用,应用傅立叶解析方法对波面变形、波浪力作了分析。结果表明在板非常接近自由水面的情况下会表现出现很强的非线性,揭示了线性理论的局限性。     

碟形越浪式波能发电装置的三维数值模拟

基于计算流体力学软件的三维数值模拟技术,分析了碟形越浪式波能发电装置的越浪性能,通过构建基于水气两相VOF(Volume of Fluid)模型的三维数值波浪水槽对该装置进行三维数值模拟研究,数值计算结果与物理试验结果相互对比验证较为吻合,验证了所构建的三维数值波浪水槽的可靠性,通过考察装置的坡度、导流叶片个数、干舷高度对越浪性能的影响确定装置的最优结构参数。结果表明,在装置的斜坡面边缘增加回流板可减少波浪的反射,提高装置的越浪性能。在数值模拟中将装置的斜坡面边缘处安装回流板对碟形越浪式波能发电装置参数进行优化,通过分析回流板的长度对装置越浪性能的影响来探索最优回流板长度。     

波浪水槽中非线性浅水波传播特性与模拟

通过建立解析解、进行数值模拟和物理实验，研究了波浪水槽中非线性浅水波浪传播特性，给出了数值模拟中对应造波板做正弦运动的二阶入射边界条件。数值模拟采用高阶Boussinesq方程。实验结果、数值结果和解析解进行对比，并讨论了解析解的适用范围、高次谐波的产生及三波相互作用问题。