基于OpenFOAM几何流体体积方法的波浪数值模拟

波浪数值模拟一直是船舶海洋工程领域非常重要的研究课题.该研究基于开源计算流体力学分析平台OpenFOAM对Stokes五阶波进行模拟.由于几何流体体积(VOF)方法中的几何重构处理能够实现对自由液面更精准的捕捉,所以该研究采用了OpenFOAM内置几何VOF方法——isoAdvector方法,进行自由液面捕捉,通过二次开发引入松弛区方法进行消波处理.对几何VOF方法下网格密度及库朗数进行了收敛性分析,发现可用较大库朗数获得较好的波浪模拟结果;在不同波陡和波频情况下,对几何VOF方法和代数VOF方法模拟波浪的波高及相位进行分析,并与Stokes五阶波理论值进行了对比,研究表明几何VOF方法能更好地对波高进行模拟.最后探讨了松弛区方法中消波区长度及权重分布对消波效果的影响,结果显示大于2倍波长的消波区长度配合指数权重分布可达到最佳消波效果.

一种几何VOF方法在液舱晃荡流动模拟中的应用

isoAdvector是一种新的几何VOF(Volume of Fluid)方法,虽然克服了传统几何VOF方法难以适用于三维空间任意多面体网格的缺点,但不能直接用来模拟涉及动网格技术的液舱晃荡.为此,引入了运动通量修正,并提出了面-界面交线运动修正,使得修正后的isoAdvector方法可以应用到液舱晃荡的模拟中.基于不同的VOF方法对非共振、共振受迫晃荡和单次冲击波面进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果以及解析解进行了比较.结果表明:相对于代数VOF方法,采用修正后的isoAdvector方法获得的自由液面位置和整体水动力载荷精度更高;捕捉的波面没有褶皱,能够较好地模拟波面的翻卷和破碎.此外,提出了界面厚度的估计方法,分析了自由液面波高精度提高的原因.

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应,对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型,对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度,结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析,弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好,表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。

波浪与反弧面直墙防波堤相互作用的砰击载荷数值预报研究

采用基于开源平台Open FOAM开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对实尺度下波浪与反弧面直墙防波堤相互作用开展了数值研究。采用主动造波-消波方法生成不规则波,采用基于分段线性界面模型的几何流体体积法捕捉自由面。数值模拟时在距造波点不同位置处设置了波高测点,在防波堤表面布置了多个压力测点,并将各测点得到的波高及砰击压力时历数据与试验进行对比。研究表明,受入射波、反射波和空气涡流场的影响,靠近防波堤位置处的波面线将会形成两个明显的峰区。在砰击发生后,防波堤表面的砰击压力将随流体运动向顶部与底部转移,在圆弧段顶部产生高频压力振荡。同时发现防波堤顶端的反弧墙将上涌流体转化为水平射流,极大地改变了气相涡量场结构,能缓解溢流问题。