李海濤　唐嘯宇　李夢如　袁榮耀　徐樂然

摘 要：該文應(yīng)用軟件為FLUENT流體分析軟件，控制方程為連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程。應(yīng)用GAMBIT建立數(shù)值波浪水槽模型并對其劃分網(wǎng)格?；跇?biāo)準(zhǔn)RNG 湍流模型和VOF自由液面捕捉方法，利用FLUENT的二次開發(fā)編寫源程序，賦予前邊界造波功能，形成與實(shí)驗(yàn)造波原理一致的推波板數(shù)值造波法。建立潛堤地形下的波浪水槽模型，模擬潛堤地形下的波浪傳播，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對比吻合良好，驗(yàn)證該模擬方法在復(fù)雜地形情況下的可行性。

關(guān)鍵詞：Fluent 推波板 造波 潛堤

中圖分類號：TV13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0197-04

河口海岸附近區(qū)域具有豐富的資源、密集的人口、發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)，且在此區(qū)域內(nèi)航道的開發(fā)、港口的建設(shè)、海岸工程的防護(hù)對于沿海地區(qū)的發(fā)展起著重要的作用。準(zhǔn)確計(jì)算堤前波要素成為港口、海岸和近海水工建筑物設(shè)計(jì)和規(guī)劃的前提。潛堤在保護(hù)海岸工程建筑物發(fā)揮巨大的作用。因此，該文基于FLUENT對波浪在潛堤上的傳播模擬做了一定研究。結(jié)果表明利用推板式造波法能夠模擬波浪在潛堤地形上的傳播，為進(jìn)一步研究波浪爬高、波流相互作用積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 研究背景及意義

河口海岸附近區(qū)域具有豐富的資源、密集的人口、發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)，且在此區(qū)域內(nèi)航道的開發(fā)、港口的建設(shè)、海岸工程的防護(hù)對于沿海地區(qū)的發(fā)展起著重要的作用。準(zhǔn)確計(jì)算堤前波要素成為港口、海岸和近海水工建筑物設(shè)計(jì)和規(guī)劃的前提。

波浪在由深水向近岸傳播的過程中，由于水深的變化，近岸區(qū)域的邊界和建筑物等各種因素的作用，波浪會(huì)發(fā)生一系列的變化，例如有反射、繞射、折射、破碎等復(fù)雜多變的物理現(xiàn)象。解決這一問題的研究方法現(xiàn)在主要有三種方法，分別是理論研究、物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬。理論分析對試驗(yàn)和數(shù)值模擬具有相當(dāng)重要的指導(dǎo)意義，但理論解通常是在簡化模型的基礎(chǔ)上求得，盡管對認(rèn)識復(fù)雜問題的物理本質(zhì)有著不可替代的作用，但是在解決實(shí)際工程問題中有局限性。

物理模型試驗(yàn)是通過實(shí)驗(yàn)波浪水槽，可以對波浪的產(chǎn)生、傳播以及衰減等特性進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)觀察，從而奠定了研究波浪理論的物理基礎(chǔ)。同時(shí)波浪水槽實(shí)驗(yàn)也為海洋、海岸等工程設(shè)計(jì)提供了可靠以及有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而且很多水動(dòng)力學(xué)中的非線性問題常?？梢栽趯?shí)驗(yàn)水槽中觀測得到。正是由于波浪水槽實(shí)驗(yàn)對于包括海浪在內(nèi)的水波動(dòng)力學(xué)研究具有如此重要的作用，各研究機(jī)構(gòu)建造了波浪物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行各種環(huán)境下波浪傳播變形的物理模型試驗(yàn)。但是高昂的造價(jià)，固定的功能，復(fù)雜的觀察程序，以及相應(yīng)的保養(yǎng)、維修等問題使物理模型試驗(yàn)受到局限。

而與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在各研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從而對波浪數(shù)值模擬的發(fā)展提供了條件。

近30年來，近海水域波浪的數(shù)值求解主要有以下模型：一類是基于Boussinesq型方程的計(jì)算模型，它是直接描述海浪波動(dòng)過程水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的模型，可以較好地模擬非線性波浪傳播變形，但是求解難度大，僅適用于小范圍水域的波浪數(shù)值模擬。第二類是基于緩坡方程的計(jì)算模型，它基于包括波高和波長在內(nèi)的波浪要素緩變的事實(shí)，描述的是波浪波高、波長、頻率等要素的變化，即著眼于波浪宏觀上的整體特征，而不涉及具體的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程。緩坡方程模型是基于線性理論的模型，求解相對簡單，但難以描述波浪的非線性。

N-S方程是流體運(yùn)動(dòng)最基本的方程，應(yīng)用面較廣，能夠適用于各種流體運(yùn)動(dòng)的研究。因此，采用以N-S方程為基礎(chǔ)的波浪計(jì)算模型能更準(zhǔn)確地模擬波浪的傳播變形。

該文研究在潛堤地形中的波浪傳播變形模擬。造波方法為推板式造波法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽試驗(yàn)。從而得出基于推板式造波法可以較為準(zhǔn)確地模擬出波浪在潛堤地形上的傳播變形。

該文基于商用流體分析軟件FLUENT，采用兩種方法造波方法分別為推板式造波，選取RNG k-epsilon湍流模型，利用VOF法捕捉自由液面變化，運(yùn)用FLUENT的UDF功能編寫程序載入FLUENT環(huán)境中，使水槽模型具有造波消波功能，模擬出各種工況的波浪水槽模型，并將模擬值與理論值進(jìn)行比較。利用推板式造波法進(jìn)行了潛堤地形上的波浪傳播模擬。

利用GAMBIT建模軟件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用局部加密網(wǎng)格技術(shù)在自由液面處進(jìn)行加密處理，這樣能更精確捕捉自由液面變化。在末端消波區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行稀疏處理能取得良好的消波效果。在FLUENT中設(shè)置合適的計(jì)算參數(shù)、初始條件、邊界條件，根據(jù)不同的造波原理，應(yīng)用UDF宏，賦予數(shù)值波浪水槽以造波功能，設(shè)置適當(dāng)位置的監(jiān)測點(diǎn)形成后處理數(shù)據(jù)。

2 數(shù)值模型

該文潛堤水槽的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)[1]。如圖1，水槽長23 m、寬0.8 m、高0.8 m，水槽中設(shè)置一潛堤模擬海岸上沙壩。潛堤左右坡度均為1：10。潛堤頂長2.0 m，潛堤中心距水槽左端9.0 m。最大水深在堤兩段平地處為0.5 m，最淺處在堤頂為0.2 m。

基于FLUENT流體分析軟件[2]，建立與該實(shí)驗(yàn)相同規(guī)格的數(shù)值波浪水槽模型[3-4]，利用與實(shí)驗(yàn)法相同的推波板造波方法進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。造波板做簡諧運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪，分別在距水槽左邊界4.7 m、8.5 m、10.5 m、11.7 m、13.3 m、15 m處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，記錄波面變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

圖2（a）～（f）為對應(yīng)4.7 m、8.5 m、10.5 m、11.7 m、13.3 m、15 m處模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比（實(shí)線為模擬值，虛線為實(shí)驗(yàn)值）。

圖2為潛堤工況在不同位置處波面數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)值比較。潛堤前，即4.7 m處，波峰變陡，波谷逐漸平坦，非線性較弱，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合，且受地形影響較小。潛堤上，即8.5 m，10.5 m，11.7 m處，受潛堤的影響，波峰不斷變高，波浪非線性增強(qiáng)，逐漸出現(xiàn)諧波，波面出現(xiàn)傾斜情況，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。潛堤后，即13.3 m，15 m處，波浪傳播受潛堤影響最大，非線性作用達(dá)到頂峰，生成明顯的諧波，模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。由此可以得出，基于推板式造波法所生成的波浪在潛堤地形上的傳播變形具有較高的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

該文基于商用流體分析軟件FLUENT，以及大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)水槽數(shù)據(jù)。采用推板式造波法，選取RNG k-epsilon湍流模型，利用VOF法捕捉自由液面變化，運(yùn)用FLUENT的UDF功能編寫程序載入FLUENT環(huán)境中，使水槽模型具有造波消波功能，進(jìn)行了潛堤地形上的波浪傳播模擬。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證的該方法在潛堤地形上模擬波浪的可行性，可以為港口海洋工程方面研究提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

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[2] Fluent Inc.，F(xiàn)LUENT User Defined Function Manual[Z].Fluent Inc，2003.

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