鄭艷娜， 劉　卓， 陳昌平， 張佳星

(大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

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基于Fluent軟件二維數(shù)值波浪水槽的研究

鄭艷娜， 劉卓， 陳昌平， 張佳星

(大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

摘要：該文利用Fluent軟件，采用VOF(流體體積)法，基于N-S方程和RNG Κ-ε湍流模型，通過C語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，模擬二維數(shù)值波浪水槽，并與理論結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值水槽的準(zhǔn)確程度，進(jìn)而在數(shù)值波浪場(chǎng)中放置潛堤結(jié)構(gòu)物，將模擬的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了Fluent軟件模擬二維數(shù)值波浪水槽及結(jié)構(gòu)物的可行性與有效性，為深入研究數(shù)值波浪水槽內(nèi)結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力特性奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Fluent軟件；數(shù)值模擬；二維波浪水槽；結(jié)構(gòu)物

0引言

隨著近海結(jié)構(gòu)物應(yīng)用的不斷增多，波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響日益突出，在研究波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí)，采用波浪水槽進(jìn)行物理模型試驗(yàn)可以為數(shù)值模擬以及結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)提供依據(jù)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，建立數(shù)值波浪水槽具有廣闊的應(yīng)用前景。數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相比，不僅節(jié)約了人力、物力及財(cái)力，而且數(shù)值模擬的可重復(fù)性好、條件更易于控制。因此，建立實(shí)驗(yàn)需求的數(shù)值波浪水槽也成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。王永學(xué)[1]利用VOF法，用吸收式造波機(jī)和普通造波機(jī)分別模擬二維波浪數(shù)值水槽，并將其所得的數(shù)值解進(jìn)行了對(duì)比。Tanizawa等[2]采用邊界元方法，研究了二維數(shù)值水槽中非線性波的生成，同時(shí)在時(shí)域內(nèi)求解了非線性的波浪場(chǎng)及引起的浮體運(yùn)動(dòng)。Kim等[3]采用有限差分法和改進(jìn)的MAC方法，建立了非線性不規(guī)則三維數(shù)值波浪水槽。Li[4]將垂直矩形樁加入到三維數(shù)值波浪水槽中，進(jìn)一步研究了波浪與結(jié)構(gòu)物的相互關(guān)系。

隨著商業(yè)軟件Fluent的出現(xiàn)，應(yīng)用Fluent軟件及其UDF二次開發(fā)功能模擬數(shù)值波浪水槽也取得了很大進(jìn)展。董志和詹杰民[5]等利用Fluent及UDF的二次開發(fā)，進(jìn)行了數(shù)值波浪水槽的造波和消波，并詳細(xì)介紹了推板邊界造波、動(dòng)量源造波以及多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)消波等方法，同時(shí)對(duì)多種方法進(jìn)行了對(duì)比。蘭雅梅[6]基于N-S方程和VOF法，利用源造波方法以及消波技術(shù)模擬了數(shù)值波浪的造波消波功能。楊錦凌[7]基于Fluent軟件，利用軟件的二次開發(fā)建立了具有造波、消波功能的數(shù)值波浪水槽。辛穎[8]利用Fluent UDF的二次開發(fā)功能建立波浪水槽中推板式造波機(jī)的動(dòng)邊界運(yùn)動(dòng)和水槽遠(yuǎn)端的動(dòng)量源消波。李勝忠[9]基于不同方法對(duì)二維波浪水槽進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

綜上所述，在基于Fluent軟件模擬數(shù)值波浪水槽方面，主要是對(duì)造波、消波等數(shù)值波浪的研究以及不同造波方法的對(duì)比，對(duì)于應(yīng)用數(shù)值波浪水槽研究結(jié)構(gòu)物與波浪的相互作用方面還需深入探討。該文基于Fluent軟件及其UDF的二次開發(fā)以及N-S方程和連續(xù)性方程，運(yùn)用邊界造波法的速度入口造波，通過在水面取不同的基點(diǎn)，運(yùn)用VOF方法追蹤二維數(shù)值波浪水槽中的自由表面運(yùn)動(dòng)，將求得的數(shù)值解與理論解進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)在二維數(shù)值波浪場(chǎng)中加入結(jié)構(gòu)物，模擬結(jié)構(gòu)物對(duì)波浪的作用，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證基于Fluent的波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用模型的有效性。

1數(shù)學(xué)模型

1.1流體運(yùn)動(dòng)控制方程

假定流體不可壓縮，根據(jù)流體力學(xué)理論，對(duì)于二維自由面流動(dòng)問題，連續(xù)性方程為：

(1)

動(dòng)量方程為：

(2)

1.2邊界條件和初始條件

自由表面的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件：

(3)

自由表面的動(dòng)力學(xué)邊界條件：

(4)

壁面(水槽的底面和兩側(cè)面)邊界條件：

(5)

式中： k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；n為壁面的外法線方向。

1.3入射邊界條件

在速度入口處，X方向和Z方向的速度分別如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

2數(shù)值模擬

2.1模型建立

通過ICEM CFD(Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code for Computational Fluid Dynamics)建立二維平面水槽，劃分網(wǎng)格。

二維數(shù)值波浪水槽總長(zhǎng)100 m，高10 m，水相深4 m，空氣相高6 m，利用ICEM劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，波浪水槽如圖1所示。

圖1　波浪水槽示意圖

2.2模擬數(shù)值波浪水槽

數(shù)值模擬中，采用Fluent的VOF模型、Segregated求解器和UDF的二次開發(fā)，湍流模型選用RNG的k-ε模型，采用壓力速度耦合的SIMPLE算法求解非定常狀態(tài)下的穩(wěn)流問題，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件和初始條件進(jìn)行求解，通過速度入口的動(dòng)邊界造波法進(jìn)行數(shù)值波浪的模擬。

初始條件：波浪水槽中初始速度u=0，w=0，迭代精度e=0.05。

邊界條件：定義左邊界為速度入口，上邊界為壓強(qiáng)入口，下邊界和右邊界均為壁面。

在二維波浪水槽中模擬二階Stokes波，入射波的波高、波長(zhǎng)和周期分別取1 m，6 m和1.96 s。圖2給出了t=15T時(shí)間段內(nèi)，距造波邊界不同距離處的波面過程線，并與理論波形進(jìn)行了對(duì)比。

圖2　波浪水槽不同位置處波面歷時(shí)曲線

由圖2可以看出，波浪在不斷的推進(jìn)過程中，不同位置處的數(shù)值波浪周期與理論波周期基本一致，但是波高略有差別。隨著時(shí)間的推移，水面高度增大，并逐漸接近理論波，形成比較穩(wěn)定的波面，波形圖的模擬值與理論值也基本相同。同時(shí)，在時(shí)間增長(zhǎng)的過程中，波高略有減小，原因在于數(shù)值模型中考慮到了水的粘性作用等因素，使得波浪沿程有一定的衰減。

另外比較圖2(a)和圖2(b)可知，不同位置處基于速度入口的動(dòng)邊界造波法模擬出的數(shù)值波與理論值的差別不同，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)物模擬時(shí)其位置不宜距離造波邊界過大。

2.3模擬放置結(jié)構(gòu)物的波浪水槽

在數(shù)值波浪水槽中放入潛堤[10]，研究水槽內(nèi)波面的變化情況，并與Lin[11]的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該文數(shù)值造波的可行性。

波浪水槽總長(zhǎng)為27 m，高0.6 m，水深0.4 m。造波的理論波高H=0.02 m，波長(zhǎng)L=3.8 m，周期T=2 s，水深D=0.4 m。潛堤上寬2 m，下寬11 m，高度0.3 m，左端距離波浪數(shù)值水槽6 m，右端距離波浪數(shù)值水槽10 m。為了獲取波面高度，在潛堤附近布置監(jiān)控點(diǎn)A和B，距造波邊界分別為12.5m和14.5m，潛堤示意圖如圖3所示。

圖3　潛堤示意圖

在波浪穩(wěn)定后的時(shí)間段內(nèi)截取A、B兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的波面歷時(shí)曲線并與實(shí)測(cè)結(jié)果作對(duì)比，分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4　潛堤附近波面歷時(shí)曲線

由圖4可以看出，在水槽中加入潛堤后，數(shù)值波在形態(tài)上會(huì)發(fā)生一些變化，主要是由于波浪傳到潛堤時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，對(duì)入射波產(chǎn)生干擾。圖4(a)中堤前的波峰值略大于實(shí)測(cè)結(jié)果，圖4(b)中在潛堤后的模擬波面與實(shí)測(cè)波面的波高、周期基本相同，說明該文的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，從而驗(yàn)證了Fluent軟件模擬二維數(shù)值波浪水槽及結(jié)構(gòu)物的可行性。

3結(jié)論

該文基于Fluent軟件平臺(tái)，利用C語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，運(yùn)用速度入口的邊界造波法，模擬了二階Stokes波，通過不同位置的波形圖與理論波的對(duì)比可知，數(shù)值水槽造波與理論波浪吻合較好。在水槽中加入潛堤后，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致吻合，說明該文建立的數(shù)值波浪水槽內(nèi)設(shè)置結(jié)構(gòu)物的模型具有一定的準(zhǔn)確性，為深入研究數(shù)值波浪水槽內(nèi)結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力特性奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ]王永學(xué).無反射造波數(shù)值波浪水槽[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,1994,9(2):205-214.

[ 2 ]Tanizawa K.The state of the art on numerical wave tank[C]. Proceeding of 4th Osaka Colloquium on Seakeeping Performance of Ships, Osaka: Japan, 2000.

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[ 7 ]楊錦凌，孫大鵬.基于fluent二次開發(fā)的數(shù)值波浪水槽[J].中國(guó)水運(yùn)，2012,12(5):59-61.

[ 8 ]辛穎.fluent UDF方法在數(shù)值波浪水槽中的應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[ 9 ]李勝忠.基于fluent的二維數(shù)值波浪水槽研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[10]張淑華，楊方方, 趙傳剛.數(shù)值波浪水槽造波技術(shù)及其工程應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013,13(27):8046-8051.

[11]LIN P，LIU P L F. A numerical study of breaking waves in the surf zone[J]. Journal of Fluid Mechanics.1998,35(9):239-264.

Study on the Two-dimension Numerical Wave Tank Based on Fluent

ZHENG Yan-na， LIU Zhuo， CHEN Chang-ping, ZHANG Jia-xing

(School of Ocean and Civil Engineering, Dalian Ocean University, Liaoning Dalian 116024， China)

Abstract：In this paper, a two-dimension numerical wave tank is proposed based on the Fluent software by means of secondary development using C language. The N-S equations and RNG Κ-ε turbulence model are used with the VOF method (volume of fluid). The unstructured grid is divided by the pre-processing software ICEM (Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code). The simulated water surface in the wave tank is compared with the theoretical results to verify the wave tank. Then a structure is put into the numerical wave tank and the comparison between the numerical results with measured data shows the validity of numerical generated wave which is a good foundation for the further numerical study on the hydrodynamic character of structures in wave tank.

Keywords：fluent software; numerical simulation; two-dimensional wave tank; structure

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05056-003-01)。

收稿日期：2015-06-23

中圖分類號(hào):TV653

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2015)06-0067-05

作者簡(jiǎn)介：鄭艷娜(1978-)，女，副教授。