基于边界造波法的三维数值波浪水池研究

发布时间：2020-03-26 15:30

【摘要】：近年来,高性能计算机资源和CFD技术在船舶与海洋工程领域中得到了广泛的应用,极大地推动和完善了数值波浪水池的发展。一方面,作为辅助手段,数值波浪水池丰富多样的功能与传统的物理水池实验技术优劣互补相得益彰,全面涵盖了水动力性能分析与预报学科;另一方面,作为研究热点,波浪水池充分发挥了数值模拟计算的优势,在重现支撑经典理论抑或验证评估实验结果的同时,对于物理模型试验中难以完成甚至无法实现的问题也可以进行研究,因此一举成为船舶与海洋结构物设计分析乃至性能优化的必不可少的工具。本文的主要研究内容旨在自主开发建立三维数值波浪水池,实现并验证该粘性水池造波及消波的基本功能。本文基于速度边界输入造波技术,结合SST k-ω湍流模型,利用有限差分法对URANS方程进行离散,同时采用Level-set方法追踪自由液面,完成了对不同类型的线性规则波、几种浪级下的不规则波的模拟。为了避免来自有限边界处反射波的干扰,在靠近水池出口附近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。通过数值结果与目标波浪的对比分析表明,阻尼消波吸收波能的效果更为显著;与此同时,该三维数值粘性水池能够迅速并持续产生稳定可靠的波浪,具有较好的造波和消波能力,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。
【图文】：

曲线,水平集方法,示例,水平集

２．２．３对自由表面问题的处理逡逑自由液面随时间的变化，采用１＾￥６１８６１方法（0８１１６］：，１９８0３）进行求解，水平集算逡逑法（Ｌｅｖｅｌ邋ＳｅｔＭｅｔｈｏｄ）是一种隐式的表示曲线的方法，图２－１说明了水平集方法的几个逡逑重要思想：将二维曲线转化为下面一行中三维曲面的零水平集，三维曲面对应的是水逡逑平集函数，仅需不断移动水平集函数，便可获取持续变化的形状轮廓，从而模拟得到逡逑曲线或曲面的变形［６１］。图中，左上角所示的形状为一个有界区域，下方图形中的红逡逑色表面代表确定该形状的水平集函数，平坦的蓝色区域表示ＸＹ平面［６２］。逡逑Ｍ邋Ｍ邋＂逡逑，gg逡逑图２－１水平集方法示例［６２］逡逑１６逡逑

示意图,示意图,水池,消波

３．１网格划分以及边界条件逡逑首先建立了长８．５邋Ａ，宽１．３邋Ａ，高１．１邋Ａ，水深为１２的三维数值水池，其中；Ｉ逡逑为波长。水池前端为造波区，后端靠近池壁出口处为消波区（如图３－１所示），消波逡逑强度取为２，用于消除反射回池中的干扰波。图３＿２初步展示了数值水池中纵截面逡逑（ｙ＝0）的网格划分情况：经测试可知在宽度方向，由于该方向网格的分布对波浪精逡逑度影响较小，，故一般采取均匀分布的形式；长度方向，水池前端造波区懫用均匀网格逡逑布置，靠近水池末端消波区内网格逐渐稀疏；高度方向，为了保证准确有效地捕获水逡逑波表面形态的变化，在自由液面附近加密节点分布，并以其波动范围为中心向水池上逡逑下两端稀疏过渡，减少计算消耗。逡逑１１逦0逦逦逦逦邋逦逦逦逦逦Ｉ逦——邋邋邋逡逑逦逡逑—－邋■N逡逑图３
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV139.25

【参考文献】