势粘流单向耦合的直立圆柱波浪爬升模拟

针对单固定直立圆柱的波浪爬升问题,本文采用势粘流单向耦合技术对波浪爬升过程中波面高度与圆柱水平、垂向波浪力进行了数值预报。采用STAR-CCM+求解器对数值结果进行了网格收敛性分析,研究了圆柱壁面附近的网格参数。通过比较不同波陡波浪下的波浪爬升高度,一、二阶波面在圆柱周围的空间分布,以及流场绕射演化过程图,分析了非线性波浪绕射的特征;比较了不同波况下波浪爬升过程中圆柱体受力。结果表明:在波陡为1/10的强非线工况下迎浪位置的波面最大值可达到2倍的波幅。短波下圆柱周围波面的二阶效应明显,而长波下二阶量接近于零。本文采用的势粘流单向耦合方法对于波面和波浪力的预报结果与试验吻合良好,并且计算所需要的网格数要小于计算流体力学方法。

基于HOS-CFD黏势流耦合方法模拟直立圆柱波浪爬升

对海洋工程结构物的经济性乃至安全性来说,其水动力学性能的精准预报对其设计具有重要意义。波浪与圆柱之间的相互作用对圆柱周围流场产生严重的非线性干扰,使自由液面产生明显的衍射现象。在对这样的现象进行模拟时,势流方法没有考虑到黏性带来的阻力作用,而完全针对黏性流体的计算流体力学(CFD)求解又在资源占用上非常劣势。该文以纯黏性CFD求解器naoe-FOAM-SJTU为基础,通过高阶谱(HOS)方法进行造波,在保证圆柱附近流场精细化计算的同时,降低外部大范围计算域所需的计算时间和存储空间,对在规则波中单个直立固定圆柱周围的波浪爬升进行了模拟计算,将波浪爬升的数据与纯CFD求解得出的结果进行了对比,且通过快速Fourier变换分析了对波浪爬升产生影响的主要波浪成分。此外,该文还通过对比不同黏性计算域布置下的HOS-CFD耦合模拟波面的衍射情况以及HOS-CFD耦合模拟与纯CFD模拟的计算速率,讨论了HOS-CFD耦合模拟中黏性计算域的参考布置尺寸。