數(shù)值波浪水槽及其應(yīng)用研究.pdf

1、波浪是近岸海洋環(huán)境中最重要的動(dòng)力因素之一，威脅工程結(jié)構(gòu)物的安全，影響工程結(jié)構(gòu)物的規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及淺海區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)。因此，近岸波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用以及數(shù)值波浪水槽的研究一直是水動(dòng)力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。本文旨在開發(fā)一套適用于求解帶自由表面流動(dòng)的兩相流計(jì)算程序，建立高效數(shù)值波浪水槽以用于波浪傳播以及與結(jié)構(gòu)物相互作用的精細(xì)研究。
　　首先，建立了處理大變形自由液面問題的兩相流數(shù)學(xué)模型并對(duì)該模型的數(shù)值求解算法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。控制方程包括空間濾

2、波的NS方程、連續(xù)性方程、求解體積比率F的輸運(yùn)方程以及使方程組封閉的附加方程如湍流模型方程等。自由液面的求解采用單相流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，自由表面追蹤采用VOF方法，湍流模型采用大渦模擬中的Smagorinsky模型。
　　對(duì)兩相流數(shù)值模擬算法的研究包括以下幾個(gè)方面:(1)采用兩相流模型對(duì)空氣和水進(jìn)行同時(shí)求解。系統(tǒng)研究了動(dòng)量方程空間離散格式的選取，研究發(fā)現(xiàn)密度的處理不當(dāng)會(huì)引起較大的數(shù)值耗散和不穩(wěn)定，因此，NS方程求解中涉及密度的地方

3、給予了謹(jǐn)慎處理，選擇了帶限制函數(shù)的TVD格式。(2)對(duì)自由面劇烈變形、破碎、空氣卷吸和不規(guī)則波浪傳播過程的模擬需要高效、穩(wěn)定和高精度的求解器。詳細(xì)研究了NS方程的求解算法，基于SIMPLE算法提出了對(duì)速度和壓力皆具有兩階時(shí)間精度的求解算法。(3)自由面捕捉精度是兩相流計(jì)算的核心部分，根據(jù)求解問題的特點(diǎn)研究了VOF方法所涉及的界面重構(gòu)算法和界面輸運(yùn)算法。為了解決自由表面追蹤方法中質(zhì)量不守恒的現(xiàn)象，提出了質(zhì)量重新分布技術(shù)。(4)考慮到笛卡爾

4、網(wǎng)格簡(jiǎn)潔高效且有利于VOF方法的實(shí)現(xiàn)，采用浸入邊界法中的離散力法來處理結(jié)構(gòu)物邊界，這種隱性處理壁面邊界條件的方法不僅降低了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格系統(tǒng)中處理復(fù)雜幾何邊界的難度，且與VOF方法有很好的契合度。(5)為研究波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物拍擊問題中空氣可壓縮性的影響，將不可壓縮兩相流動(dòng)的算法擴(kuò)展到考慮空氣可壓縮的兩相流求解算法，給出了具體的模型推導(dǎo)和數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)過程。(6)針對(duì)笛卡爾網(wǎng)格簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)以及自由面求解需要較高的網(wǎng)格分辨率需求，初步研究了局部加密

5、的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)。該種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行局部加密，增強(qiáng)了求解復(fù)雜問題的有效性。
　　針對(duì)所建立的數(shù)值求解器，采用了不同算例對(duì)所采用的數(shù)值方法及處理技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，主要考察了NS方程求解算法，處理自由表面的VOF算法以及VOF方法與NS方程求解耦合的兩相流求解器的正確性以及有效性。通過算例驗(yàn)證了本文所開發(fā)的數(shù)值求解器可有效地、穩(wěn)定地求解帶自由表面的兩相復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。
　　為了分析空氣可壓縮性對(duì)晃蕩問題結(jié)構(gòu)受力的影響，分

6、別采用了不可壓縮流體的兩相流模型和視空氣為可壓縮氣體的兩相流模型模擬了晃蕩問題。數(shù)值結(jié)果表明空氣不可壓縮的兩相流模型不能反映包裹氣泡的影響，包裹氣泡對(duì)拍擊力的影響表現(xiàn)為壓力以一定頻率的振蕩。模擬了高充水晃蕩問題并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，從數(shù)值模擬角度驗(yàn)證了采用空氣可壓縮模型對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算兩相流抨擊作用力是必要的。
　　基于所開發(fā)的求解器，建立了數(shù)值波浪水槽。將解析松弛法應(yīng)用于求解NS方程的流場(chǎng)體系中，實(shí)現(xiàn)了耦合造波、消波功能，解決了

7、消除計(jì)算域中的二次反射問題。模擬規(guī)則波行波以及駐波驗(yàn)證了造波、消波技術(shù)的有效性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值波浪水槽的性能，分別模擬了一系列不同波參數(shù)的規(guī)則波和不規(guī)則波，并和理論結(jié)果進(jìn)行了比較，通過大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)給出了模擬非線性規(guī)則波和不規(guī)則波的基本網(wǎng)格尺度，對(duì)數(shù)值求解波浪傳播問題的網(wǎng)格收斂性進(jìn)行了分析。
　　系統(tǒng)地研究了斜坡堤上的越浪問題。在規(guī)則波越浪的研究中，采用一系列不同堤頂高程和來波要素組合工況對(duì)越浪進(jìn)行了數(shù)值模擬，將越浪量的計(jì)算結(jié)

8、果與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了比較，并擬合了越浪量和堤頂越浪流最大速度的關(guān)系。針對(duì)堤頂和背坡的沖刷問題，定量研究了后坡越浪流的流態(tài)和最大沖刷速度。通過系統(tǒng)數(shù)值模擬分析了非破碎和破碎波越浪后堤頂流深和最大流速沿程變化規(guī)律。堤頂流深沿程呈指數(shù)衰減，最大流速沿堤頂呈一定程度增大趨勢(shì)。
　　對(duì)于不規(guī)則波越浪的研究，針對(duì)不規(guī)則波作為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程的特性，采用了一個(gè)工況多個(gè)波序列(5-7個(gè))的方式進(jìn)行越浪量統(tǒng)計(jì)計(jì)算。通過該途徑得到了