空間自適應(yīng)的水波數(shù)值模型研究.pdf

1、水波動(dòng)力學(xué)一直以來(lái)都是海岸及近海工程的重點(diǎn)研究對(duì)象。基于不可壓縮流體N-S方程的波浪數(shù)值水槽作為一種水波動(dòng)力學(xué)的有效研究手段，它不僅能夠給出波面實(shí)時(shí)變化過(guò)程，還能提供整個(gè)水域完整的水動(dòng)力場(chǎng)信息。開(kāi)展有自由水面的不可壓流體運(yùn)動(dòng)控制方程數(shù)值求解方法的研究在理論上可以推動(dòng)CFD向前發(fā)展，在實(shí)踐上也可為實(shí)際工程提供有效的研究手段。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴研究了CFD的最前沿技術(shù)成果，包括N-S方程自身的求解方法、自由水面追蹤方法以

2、及N-S方程求解中的邊界處理方法；在對(duì)比各類(lèi)方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了研發(fā)全新計(jì)算流體力學(xué)模型的基本方案。
　　 ⑵通過(guò)采用投影法求解不可壓縮流體的N-S方程，采用一種無(wú)條件穩(wěn)定，且在時(shí)間和空間上都具有二階精度的MacCormack格式計(jì)算對(duì)流項(xiàng)，采用收斂速度較快的BI_CGSTAB算法求解壓力泊松方程，提出了一種求解效率高、穩(wěn)定好的CFD模型。
　　 ⑶在本文CFD模型中，引入FPLS(快速粒子level set)方法確

3、定水流自由表面位置，與其它自由表面追蹤技術(shù)相比，該方法不僅適合流體自由表面發(fā)生復(fù)雜拓?fù)湫蔚那闆r，而且具有精度高、守恒性好、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步減少計(jì)算量，選擇了只在水體一側(cè)求解水流運(yùn)動(dòng)控制方程的計(jì)算方案，而對(duì)自由界面上的壓力和速度條件分別采用虛擬壓力法和等值外插法來(lái)處理。對(duì)于建筑物、空氣和水體多相界面交匯的問(wèn)題，則采用一種改進(jìn)的多重level set方法進(jìn)行處理。
　　 ⑷開(kāi)發(fā)了一種自適應(yīng)的樹(shù)型網(wǎng)格生成系統(tǒng)，能夠根據(jù)流場(chǎng)

4、中的流速梯度大小、自由表面和固壁邊界的位置實(shí)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格分裂與合并，以保證重要區(qū)域具有較高網(wǎng)格分辨率，同時(shí)又無(wú)需大幅度增加內(nèi)存消耗和計(jì)算量。
　　 ⑸建立了全新的二維和三維的空間自適應(yīng)波浪水槽。其中，二維水槽采用了源函數(shù)造波法，三維水槽則采用邊界造波法。模擬的微幅波、橢余波和斯托克斯波的波面形狀與解析解吻合良好。模擬的存在潛堤情況下的波浪變形及流場(chǎng)特性與實(shí)際是相符的；模擬的波浪作用下方柱所受的波浪力結(jié)果與海港水文規(guī)范(JTJ-21