内容发布更新时间 : 2024/5/16 3:38:59星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究

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，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、课题的主要研究内容； 2、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。在二维波浪的基础之上，本文将在三维区域探讨二阶STOKES波的数值模拟方法及其可行性。其中应用的边界条件有：速度入口、自由出流、壁面以及对称边界。

度入口边界条件：用于定义流动速度和流动入口的流动属性相关的标量。这一边界条件适用于不可压缩流，如果用于可压缩流会导致非物理结果，这是因为它允许驻点条件浮动。

自由出流边界条件：该边界条件用于模拟前无法知道出口速度或者压力的情况;出口流动符合完全发展条件，出口处，除了压力之外，其他参量梯度为0。

壁面边界条件：对于粘性流动问题，FLUENT默认的设置是壁面无滑移条件但也可指定壁面切向速度分量，给出壁面切应力，从而模拟壁面滑移。

对称边界条件：对称边界条件应用于计算的物理区域是对称的情况。在对称轴或者对称平面上，没有对流通量，因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为0。在对称轴和对称平面上，没有扩散通量，即垂直方向上的速度为0。

1、二维区域5米水深波浪模拟分析

在二维区域、5米水深的条件下进行二阶STOKES波的数值模拟。模拟过程中要考虑重力的影响，同时考虑了流体的粘性，所以数值波浪在传播过程中将会逐渐衰减。在该方案中，将着重分析数值波形与理论波形的匹配、参数变化、流场情况以及质点运动轨迹等。

方案设计

考虑所要模拟波浪的波形参数，建立20m?10m的二维计算区域。采用结构化网格进行区域划分。所模拟的二维波浪参数为：波高1米，波长9米，周期为2.4秒，水深为5米。

模型的网格划分

在网格划分的过程中，本模型采用结构化网格 。对于规则区域结构化网格的质量很高，并且比非结构化网格的数量要少。对于本模型，结构化网格可以保证网格与流体速度方向一致，这种模型在计算过程中更易于收敛。

图1-1 计算区域网格划分图

图1-2 计算区域局部网格放大图

在计算区域中最小单元格面积是0.08 ，最大单元格面积是0.14 。总网格数量是17500。 m2m2模型的边界条件及参数设置

壁面速度入口自由出流壁面图1-3 计算区域局边界条件设置图

将左侧边界设置为速度入口，右侧边界设置为自由出流边界。由于计算域上部的气流运动对造波过程的影响较小，所以可以将上边界设置为壁面。这虽然与实际情况中的无限宽广自由大气不符，但在计算域较大的情况下可以近似代替。其中上半部分深色区域为气相，下半部分浅色区域为液相。

表1-1 流场计算物性参数表

水密度 水动力粘度 空气密度 空气动力粘度 998.2 0.001003 1.225 1.7894e-05 kg/m kg/ms kg/m kg/ms 33 在初始时刻设置20m?5m的区域为液体，流场中气液两相物性参数如表1-1所示。通过二阶STOKES波的速度势函数编写相应的UDF文件，从而控制造波源处的速度变化。同时要通过二阶STOKES波的波面方程控制速度入口的有效高度。保证造波震荡的准确性。

造波过程中涉及到气液交接面即自由表面的处理问题，本模型选择VOF模型作为处理该问题的方法，并且考虑流体的重力。

计算过程中时间步控制在0.0001-0.0005之间，否则计算时间将会是巨大的。

数值波浪模拟结果及分析

图1-4是13.6秒时刻的波形图。从图中可以看到计算域中包含有两个波形，这与9米波长、20米计算域这一计算条件是相一致的。