基于边界造波法的波浪数值模拟

基于N-S方程,采用VOF方法追踪自由面,借助FLUENT软件中的用户自定义(UDF)功能,通过定义入射边界处的速度和波面解析表达式,实现了线性小振幅波和非线性二阶Stokes波的模拟。计算结果表明,基于边界造波法模拟的波形与解析方法值符合较好。通过改变入口边界的自定义函数,可实现更加复杂的非线性波的模拟,为研究波浪与各种海工结构物的相互作用问题奠定了一定的研究基础。

基于边界造波法的二阶Stokes波的数值生成

针对滑坡涌浪灾害中波浪的产生和传播分析至关重要的问题,利用FLUENT软件平台,提出了边界造波的数值方法,并通过二次开发实现了二阶Stokes波的数值模拟。该边界造波法以不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程和追踪自由面的VOF法为基础,借助FLUENT软件中的UDF功能定义了入射边界处波浪的速度和波形解析表达式,从而模拟了二阶Stokes波的产生和传播。计算结果表明,该数值水槽能有效可靠的模拟弱非线性波浪。这为后续模拟由滑坡涌浪所产生的波浪提供了一定的研究基础。

基于边界造波法的波浪数值生成

一般边界造波法只是用来生成线性波,至于边界造波法对不规则波、孤立波和强非线性波等是否适用,并没有做过多分析与研究。基于线性波、二阶Stokes波以及孤立波的速度和波形解析表达式,采用边界造波法,借助FLUENT软件中的用户自定义(UDF)功能,通过二次开发在FLUENT中实现波浪的模拟,并对它们的数值解与解析解做出比较,以此来验证边界造波法的适用性。计算结果表明,该数值水槽能有效模拟这三种波浪。

数值波浪水槽造波技术及工程应用研究

在充分了解数值水槽模型、数值造波、消波理论基础上,不仅分别利用设置造波边界法和质量源项法在Fluent软件中模拟出较为有效的线性波和弱非线性的二阶Stokes波,还将建筑物添加到所构造的波浪数值水槽中,利用波浪数值水槽不拘泥于特定波浪的特点,按照有已知实测资料的波浪和建筑物相互作用的波浪水槽进行建模,提出了适合不同建筑物和不同造波方法的网格构建方法。优化了水槽的构建,并验证了水槽的有效性。最后分析了两种方法的优缺点及适用性,为波浪与建筑物相互作用的深入研究奠定了基础。

波浪水槽中Stokes五阶波的数值生成

在Fluent软件平台下运用边界造波法,通过给定造波边界处流体的五阶速度和波面瞬时升高,实现了在数值波浪水槽中使用流体体积VOF法对Stokes五阶波浪的精确模拟,得到的波浪与传统理论值在时域和频域内均吻合很好.此外,为了更好地确定边界水质点输入参数,对现有的若干种五阶波理论解与流函数解在相同的波浪参数下进行对比,发现波浪参数在Ursell判据所定义的五阶波使用范围内时,理论解在波长、波速、波面瞬时升高等参数上区别甚微,但在接近破碎和椭圆余弦波的波浪条件下,波长和波速有较大的差别.

波浪作用下海底管线局部冲刷临界条件

为保护海底管线避免冲刷,对海底管线局部冲刷的临界条件进行研究是十分有必要的。基于海床多孔介质假设,通过添加源项方法来实现海床泥沙颗粒对水流的阻滞作用,建立了海底管线周围水动力场-渗流场耦合数值模型。利用前人数值试验结果对该数值模型进行了验证,在此基础上基于边界造波法和VOF方法对波浪作用下海底管线周围水动力场-渗流场进行了联合数值求解。分析了波浪KC数、相对埋深e/D对管线两端压差的影响,研究了管涌出口处水力梯度的变化规律。研究发现管线两端压差和渗流水力梯度随着KC和相对埋深e/D的增大而减小。管线冲刷的临界无量纲流速随着KC和相对埋深的增大而增大,并通过曲线拟合建立了一个用于计算管线冲刷无量纲流速的经验公式,为实际工程中海底管线的防护提供了重要的技术支持。

CFD方法的船舶骑浪稳性研究

为研究船舶骑浪状态下的稳性损失,本文基于计算流体力学方法,对船舶骑浪航行时的复原力臂进行了计算。采用边界造波法构建了适用于船舶骑浪航行的规则波数值波浪水池,以某瘦长型船模为例,对其在静水及3种不同波高波浪中骑浪航行且波峰位于船舯时的流场进行了数值模拟,综合计入波浪及船行波影响,计算了船模在不同横倾角下的复原力臂,得到了不同工况下的船模稳性曲线。实验结果表明,船舶骑浪航行时,波高越大,稳性损失越严重;骑浪航行时船舶航速较高,在计算稳性损失时,船行波的影响不可忽略。

高速旋转射弹波浪入水多相流场与弹道特征数值仿真研究

基于重叠网格技术与6自由度算法对某一高速旋转射弹波浪中入水过程进行了数值模拟研究,分析了波峰、波节1、波谷、波节2等波面不同位置入水弹体空泡形态、弹道特征及流体动力载荷特性变化规律。研究结果表明:四种工况弹体均经历撞水、空泡形成、超空泡航行与沾湿,其中波节2弹体尾部最先与空泡壁面碰撞产生沾湿,波节1发生尾部沾湿最晚;四种工况弹体质心运动轨迹均产生了不同程度的偏转,仿真结束时侧向位移量、速度变化量由大到小工况依次为波节2、波峰、波谷和波节1;四种工况入水初期弹体在空泡中航行受到的力和力矩系数量级均较小,入水后期弹体表面大面积沾湿不同工况下的力和力矩系数有较大差别;四种工况弹体名义入水角相同均为25°,由于波面的存在弹体实际有效入水角发生了变化,它们由小到大工况依次为波节2、波峰、波谷和波节1,其值依次为10.3094°,25.0032°,25.0098°和39.6620°。

基于FLUENT的海洋内孤立波数值水槽模拟

基于FLUENT商业软件及其二次开发功能,在标准κ-ε湍流模型下,采用VOF方法追踪两层流体内界面,通过给定入口速度和水位的设置造波边界法,建立了可有效模拟弱非线性内孤立波的分层流数值水槽,并与仿物理的双板造波方法进行了比较。采用设置边界法所造的波形与理论值符合较好,这为数值分析内孤立波与海洋结构物相互作用问题提供了一条更加有效的途径。

基于Level-set方法的三维数值水池造波研究

该文以速度边界输入式造波为基础,提出了采用Level-set捕捉自由液面的创新方法,通过自主开发建立了三维数值波浪水池,同时利用有限差分法对URANS方程进行离散;为了避免来自有限边界处反射波的干扰,在靠近水池出口处采取网格衰减以及在动量方程中添加阻尼项进行消波处理,并讨论了两种方法的优劣性。将模拟得到的规则波与目标波进行对比,数值结果表明,阻尼消波吸收波能的效果更为显著。所建立的三维数值黏性水池能够迅速并持续产生稳定可靠的波浪,可为模拟预报不同海况下船舶的运动响应提供较为真实的波浪环境。

数值波流水池构造方法研究

该文在FLUENT软件平台下构造了二维数值波流水池。基于不可压缩流体RANS方程建立数学模型,使用VOF方法追踪自由面位置;将水池入口取为波浪与水流相遇并产生相互作用的起始位置,给定入射静水波和水流叠加的边界条件;在水池下游设置消波区,采用动量源项消波方法对波浪进行衰减,消除波浪在水池出口边界处的反射,生成了波浪和水流共存的稳定流场。针对不同水流流速剖面和波浪条件进行了数值模拟,并通过实验数据考核数值水池模型的准确性。对Thomas的实验数据进行数值仿真,得到了不同流速的均匀逆流对波高和波长的影响;针对剪切流,模拟了Kemp等的实验数据,计算不同波幅的波浪在非均匀顺流和逆流中的变形。结果显示,数值结果与实验数据吻合良好,表明了该数值波流水池模型能够较为准确地模拟波浪和定常水流的相互作用。