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1、第43卷第6期大连理工大学学报Vol.43,No.62003年11月JournalofDalianUniversityofTechnologyNov.2003文章编号:1000-8608(2003)06-0825-06三维数值波浪水池技术与应用1,2*1齐鹏,王永学(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;2.中国科学院海洋研究所,山东青岛266071)摘要:建立了用于波浪-结构物相互作用数值模拟的三维数值波浪水池.应用VOF方法对粘性流动的基本方程进行数值求解并描述其自由表面,水池计算域的一侧使用数
2、值造波机条件产生斜入射波浪,其下游开边界联合使用辐射条件和局部强迫衰减,侧向边界使用周期性条件使斜向波浪透过.数值试验表明,所建立的三维数值波浪水池产生和传播波浪具有良好的重复性和稳定性,应用于海洋结构物波浪荷载的确定也是可靠的.关键词:数值波浪水池;VOF方法;波浪荷载中图分类号:TV139.2文献标识码:A0引言小组推出了一个二维的CADMAS-SURF系统,其核心技术是VOF方法.用计算机模拟取代或部分取代海岸与海洋工较早将VOF方法推广到三维带自由表面粘程模型试验的设想近些年正逐渐成为现实.与物[8][9]性流体运动的是
3、Torrey等.Wang和Su应用理模型试验相比,数值模拟不仅成本低,可以避免改进的VOF方法进行了圆柱容器内液体晃动问比尺效应,而且在工况选择以及复杂流场的分析题的三维数模.但VOF方法应用于三维数值波处理等方面也具有明显的优越性.关于数值波浪浪水池的建立及波浪对结构物各个接触面水动力[1]水池的想法由来已久,其实质是构建一个数值荷载数值计算的研究工作一直没有开展.模拟平台,在该平台上赋予通常实验室中的波浪本文在综合前人关于二维数值波浪水槽成果水池所具有的功能.的基础上,根据VOF方法原理在一个长方体形计基于势流理论和应用边界
4、元方法构建数值波算域的一端提出可产生斜入射波浪的数值造波机浪水池的工作已有不少尝试.目前发展了以时域边界条件,对其他侧向边界面提出开边界、全反射高阶边界元方法求解完全非线性的势流方程,例和周期性等任选条件,建立一个三维数值波浪水[2][3]如,Kim等和Grilli等的工作.然而,结构物池模型.附近由于粘性作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1VOF方法处理复杂自由水面时难免失效.三维不可压缩粘性流动的基本方程为[4][5]自Harlow等提出MAC方法和Hirt等·u=0(1)提出VOF方法
5、以来,带自由表面粘性不可压缩流∂u1体运动的数值计算技术得到了迅速的发展.在此+·(uu)=-p+·(νeE)(2)∂tρ基础上构建数值波浪水槽的工作也受到了重视.式中:u=(uvw)是流速矢量,p是流体压力,[6、7]Wang基于VOF方法建立了二维数值波浪水E是变形率张量,νe是涡动粘性系数.按照k-ε湍槽并应用所建立的数值波浪水槽开展了波浪对近流模型,涡动粘性系数可表示为海平台底部冲击过程的研究.最近,日本一研究收稿日期:2002-10-25;修回日期:2003-10-26.作者简介:齐鹏(1963-),男,博士;王永学*
6、(1955-),男,教授,博士生导师.826大连理工大学学报第43卷2k首先按表1定义的标志参数Nf的取值来表νe=Cμ(3)ε达表面单元体中自由表面的基本取向.在计算其中,k是单位质量流体所具有的湍流脉动动能,中,Nf值是通过判断流体位于表面单元体的哪一ε是湍流脉动能量耗散率,Cμ是常数.在标准k-ε侧来确定的.湍流模型中,Cμ=0.09.k和ε分别满足以下对流表1Nf值的定义及对应的表面方向扩散方程:Tab.1DefinitionofNfanditsarrayvalues∂k+·(uk)=·(νkk)+S-ε(4)∂tNf定
7、义和自由表面取向20流体单元体,且没有任何空单元体与其相邻∂εεε+·(uε)=·(νεE)+C1S-C2∂tkk1表面单元体,流体最可能地位于该单元体的左面(5)2表面单元体,流体最可能地位于该单元体的右面13表面单元体,流体最可能地位于该单元体的下面其中νk=νe/σk,νε=νe/σε,S=νeE·E.各经验24表面单元体,流体最可能地位于该单元体的上面[10]系数的值按照标准k-ε湍流模型的建议取为σk5表面单元体,流体最可能地位于该单元体的前面=1.00,σε=1.30,C1=1.44,C2=1.92.6表面单元体,流
8、体最可能地位于该单元体的后面求解基本方程(1)、(2)、(4)和(5)的差分网7孤立非空单元体,与其相邻单元体皆为空单元体8空单元体格由长方体单元组成.网格单元体的3个尺度分别记为Δxi、Δyj和Δzk,如图1所示.在单元体中,自由表面单元体的Nf值确定后,就可
