基于fluent的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究

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1、基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究姜涛裴金亮唐岱能源学院指导教师：陈浮一、课题研究目的物体出水运动是一个涉及气液两相问题的三维非定常过程。在这一过程中，物体的边界条件发生剧烈变化，同时波浪的存在，对物体边界流场的压力、流线分布也起到十分重要的影响。因此，分析波浪力对于研究水面运动体和出水物体所受应力十分关键。目前解决该问题的研究手段主要有物理模型实验与数值模拟等。物理模型实验主要是通过在波浪水槽中进行的实验来研究波浪，采用PIV实验对流场进行跟踪；数值模拟则是通过建立数值模型

2、，通过GAMBIT、FLUENT等CFD软件来进行离散计算。数值模拟可以节约人力、物力、财力和时间，而且数值模拟可重复性好，条件易于控制，比实验更灵活，此外在海洋结构物的分析和设计中，一般来说，解析解只适用与简单几何形状或线性波浪问题，因而数值解法更有普遍意义。如果能够对高阶非线性波进行计算模拟，那么就可以用数值波浪水槽模拟各种条件下、特别是极端波况下的波浪运动特性。所以此项目将采取以数值计算为主，微型实验为辅助的方式开展。项目分析结果将对解决水下导弹发射等实际工程问题起到参考借鉴作用。二、课题

3、背景用计算机模拟取代或部分取代海岸与海洋工程模型试验的设想近些年正逐渐成为现实.与物理模型试验相比,数值模拟不仅成本低,可以避免比尺效应,而且在工况选择以及复杂流场的分析处理等方面也具有明显的优越性.关于数值波浪水池的想法由来已久[1],其实质是构建一个数值模拟平台,在该平台上赋予通常实验室中的波浪水池所具有的功能.基于势流理论和应用边界元方法构建数值波水池的工作已有不少尝试.目前发展了以时域高阶边界元方法求解完全非线性的势流方程,例如,Kim等和Grilli等的工作.然而,结构物附近由于粘性作

4、用而导致的各种复杂流动状况毕竟不能用势流理论来反映.此外,边界元方法在处理复杂自由水面时难免失效.自Harlow等提出MAC方法和Hirt等提出VOF方法以来,带自由表面粘性不可压缩流体运动的数值计算技术得到了迅速的发展.在此基础上构建数值波浪水槽的工作也受到了重视.Wang基于VOF方法建立了二维数值波浪水槽并应用所建立的数值波浪水槽开展了波浪对近海平台底部冲击过程的研究.最近,日本一研究小组推出了一个二维的CADMAS-SURF系统,其核心技术是VOF方法.较早将VOF方法推广到三维带自由表

5、面粘性流体运动的是Torrey等.Wang和Su应用改进的VOF方法进行了圆柱容器内液体晃动问题的三维数模在海洋工程问题中，波浪力是作用在工程结构上的最主要的外力之一。为合理地设计处于波浪环境中的结构物，保证其安全、有效地运行，需要正确预报其波浪荷载。另一方面，水下打捞和导弹水下发射等一系列军民项目工程也都受到波浪力的影响。因此，建立波浪的三维数值模型分析计算便具有了很重要的意义对于波浪与物体的相互作用，人们已经进行了长期的研究。目前，线性水动力理论已相当成熟，并以其简单、实用而为工程界采用。然

6、而，波浪与物体相互作用的本质是时域上的非线性问题，实际波浪和物体的运动也是非线性的。线性理论忽略了实际波浪问题的一些重要的特征，使得很多现象无法解释。许多海洋工程事故的发生都与非线性因素有关，结构物的破坏往往发生在连续几个大波的极端状况下。工程实践促使人们将研究的注意力集中到波浪与物体相互作用的非线性特性上。本课题便基于CFD技术的相关理论，建立存在海风、海流等外界因素下的波浪流体数值模型，为其他工程提供参考三、课题研究主要内容1、绪论：课题的研究背景及意义、国内外在该方向的研究现状综述、课题的

7、主要研究内容；222、数值模拟方法：求解器、差分格式、湍流模型、VOF模型、UDF模型、波浪流动特点等介绍；3、不同波长、波速、水深条件下二维非线性波数值模拟及分析，对波浪的特点及不同波浪参数对波浪品质的影响进行探讨；4、三维非线性的数值模拟及对运载器出水姿态的影响研究；四、结论（成果介绍）波浪的数值模拟过程包括了对造波边界的设置、VOF模型的应用以及数值计算过程中时间步控制等诸多问题。一方面在模拟过程中要保证数值波浪的品质，从而在充分发展的波浪计算域中能够正确分析其对运载器的影响。另一方面计算

8、网格又不能过多，否则对于现行计算来说，计算工作量将是巨大的，时间也会很长。本文所模拟的波浪是二阶STOKES波，主要是因为二阶STOKES波比线性波的精度更高、存在质点漂移现象，与实际海浪更为接近。本章将通过设置速度入口的方式进行造波，并验证方法的可行性。在二维计算模型中，将在水深分别为5米和50米的两种工况下对波长9米、波高1米、周期2.4秒的二阶STOKES波进行数值模拟。分析水深对波浪生成的影响。其中，主要通过5米水深方案来分析数值波浪的波形参数、压力分布、速度分布以及波浪衰减。在二维波浪