海洋工程粘性数值波浪水池开发及应用

发布时间：2017-12-23 22:01

  本文关键词：海洋工程粘性数值波浪水池开发及应用　出处：《上海交通大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：波浪水池在海洋工程中具有重要地位,许多复杂水动力学问题的研究都离不开波浪水池。随着计算流体力学CFD技术的发展,开发数值波浪水池、研究波浪与结构物相互作用已经成为热点研究问题。同时,作为物理波浪水池的重要辅助手段,数值波浪水池的发展和完善也具有重要意义,不仅可以对结构物水动力性能进行预报,还可以通过分析全流场信息,深入认知复杂流动现象的物理机理,为结构物设计优化提供帮助。本文旨在开发能有效考虑流体粘性、求解强非线性波物相互作用问题的计算程序,建立三维粘性数值波浪水池,应用于模拟研究海洋工程中的波物相互作用问题。本文以开源程序库Open FOAM为开发平台,通过求解粘性两相流控制方程Navier-Stokes方程,采用VOF方法确定自由面,构建了三维粘性数值波浪水池。并将数值波浪水池模块化,与团队合作开发的物体六自由度运动模块、系泊系统模块相集成,形成一套可以有效求解复杂波物相互作用问题的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。本文首先对开发平台Open FOAM中采用的数学模型和数值算法进行了阐述。采用多个不同标准算例对粘性流体控制方程Navier-Stokes方程求解算法、VOF自由面处理方法进行了验证。结果表明:基于Open FOAM的基本数值方法可以有效的模拟粘流流动以及带自由面的复杂流动现象,保证了基于Open FOAM平台开发粘性数值波浪水池工作的可行性。本文基于Open FOAM中的不可压缩粘性两相流求解程序,开发了三维粘性数值波浪水池。将仿推板造波、仿摇板造波、速度入口输入式造波方法应用于求解程序中,实现了完善的造波功能;通过在动量方程中添加阻尼源项,实现了消波功能,有效消除了波浪的反射干扰问题。并建立了较为完善的波浪理论库、波浪谱库。不仅实现了对规则波的模拟,还采用波浪聚焦模型实现了对畸形波的模拟。通过对规则波的数值模拟,验证了数值波浪水池的造波功能、消波功能,分析了计算网格对模拟结果的影响,并给出了模拟规则波时的基本网格尺度参考。为进一步验证数值波浪水池模拟非线性波和三维波的能力,本文进行了大量造波实验,模拟了规则波的非线性演化、孤立波、瞬时极限波、多向不规则波、多向聚焦波等,并与理论结果或试验结果进行了比较。结果表明:所开发的数值波浪水池具有功能强大的、效果优良的造波系统,可以为波物相互作用问题提供有效的波浪条件。本文应用求解器naoe-FOAM-SJTU数值模拟研究了波浪爬高问题。首先,对不同参数的规则波、强非线性孤立波在单个直立圆柱上的波浪爬高问题进行了数值模拟。计算得到的波浪爬高、波浪力结果与实验结果吻合地很好,验证了求解器naoe-FOAM-SJTU处理波物相互作用问题的可靠性,可以准确合理的预报波浪载荷和波浪爬高。同时,分析了波物相互作用过程中的自由面演化过程,以及粘性效应引起的漩涡结构的产生和耗散。本文还对多个圆柱的波浪爬高问题进行了模拟研究,分析了不同波浪入射角度、圆柱间距等因素对波浪载荷、波浪爬高值的影响。结果表明:圆柱间的相互干扰会使前排圆柱受到波浪力和波浪爬高增大,同时也会使发生最大爬高的位置发生改变。对波浪爬高问题的数值模拟研究表明了求解器naoe-FOAM-SJTU可以有效的求解波物相互作用问题,为预报结构物的水动力性能提供了新的工具。本文针对海洋工程领域十分关心的浮体运动响应问题进行了数值模拟研究。首先构建了二维数值波浪水池,对浮体在规则波、聚焦波条件下的运动响应分别进行了模拟研究,再现了浮体与波浪相互作用过程中发生的甲板上浪现象。数值模拟结果与物理模型试验结果较好的吻合,验证了求解器naoe-FOAM-SJTU求解浮体自由运动问题、甲板上浪问题的可靠性。本文进一步应用求解器naoe-FOAM-SJTU中的系泊系统模块,研究了带系泊系统的实尺度海洋平台的运动响应问题,预报了海洋平台在大波陡规则波、强非线性畸形波条件下的运动响应,并分析了强非线性自由面情况和系泊系统对平台运动的限制作用,验证了系泊系统模块的有效性。本文基于Open FOAM平台开发了三维粘性数值波浪水池,通过对多种不同类型波浪的有效模拟,展示了数值波浪水池强大的造波功能。对波浪爬高问题、浮体运动响应问题,以及甲板上浪现象的有效模拟,表明了求解器naoe-FOAM-SJTU处理复杂波物相互作用问题的能力,并能有效考虑流体粘性的影响,为深入研究海洋工程水动力问题提供技术支持。同时,所开发的数值波浪水池和求解器naoe-FOAM-SJTU具有开放的源程序代码、模块化的程序结构、良好的可扩展性,有利于程序优化以及更多应用功能的扩展开发。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P75;P731.2

【参考文献】

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本文编号：1325634