高保真粘性流数值波浪水槽的开发
发布时间：2020-07-19 17:15
【摘要】：数值波浪水槽是研究水波问题的一种重要手段。基于Navier-Stokes方程建立的粘性流数值波浪水槽能够捕捉流场中的流动细节,是目前最接近真实物理水槽的一类数值工具。但是,为了控制计算中的数值耗散,基于传统一阶或二阶方法的数值模型通常对时间步长与网格大小有着严格的要求。这使得这类数值波浪水槽在应用中的计算成本十分可观,其发展也因此受到了制约。为开发可靠且更经济的粘性流数值波浪水槽,本文将尝试使用高精度的两相流模型作为数值求解器,并系统性地检验水槽在造波、消波、模拟波浪传播以及计算波浪与结构物间相互作用等方面的性能。本文模型使用高阶有限体积方法VPM(Volume-average/Point-value Multi-moment)离散动量方程,使用 THINC/QQ 方法(THINC method with Quadratic surface representation and Gaussian Quadrature)捕捉自由面。为保证对流的求解精度,体积分数方程以及动量方程中对流项的时间更新均采用三阶Runge-Kutta格式。在造波方面,本文使用质量源函数法。通过将造波区置于计算域内部,阻尼消波区可以直接应用于水槽两侧的边界,从而在计算中消除由两侧直墙以及水槽内部结构物引起的波浪反射。利用以上方法,本文首先模拟中等水深条件下规则波的传播,并比较本文模型与in-terFoam(开源代码OpenFOAM中使用较广的两相流求解器)在模拟该问题上的计算精度与计算效率。结果表明,与interFoam相比,使用本文模型可以明显降低计算中的数值耗散;同时,对于给定的误差水平,本文模型的计算效率要远高于interFoam求解器。接着,本文测试孤立波与水下挡板之间的相互作用,计算得到与物理实验相符的水面形态、速度分布、涡量场以及波浪力过程;另外在波浪破碎位置,本文模型还清楚地捕捉到包括高度扭曲的水面与飞溅的小水滴在内的一系列亚网格分辨率的实验细节。文章最后建造一个长300m,高5.2m的“超级数值波浪水槽”,用于模拟深水中非线性波列的长时间演变,模拟准确地重现物理实验中包括波前不稳定、初始形态重现以及永久降频在内的几个关键现象。本文的数值波浪水槽依然处于开发阶段,但从这些初步结果可以见出,该水槽有数值耗散小以及自由面捕捉精度高的突出优势。同时其计算成本合理,鲁棒性良好,有潜力成为研究水波问题的高效数值工具。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV139.2
【图文】：
动界面存在复杂的拓扑结构与尺度分离现象，对求解精度有着很高的要求。逡逑从上世纪五、六十年代开始，研究者们提出了许多求解运动界面的数值方法。ＭｉｒｊａｌｉＨ逡逑等人１４９１在其综述文章中对主流的运动界面处理方法进行了分类（图１．１）。其中，单流体逡逑５逡逑
（Ｐｏｉｎｔ邋Ｖａｌｕｅ，邋ＰＶ），将ＶＩＡ与ＰＶ都作为计算变量，ＶＰＭ方法可以在紧致的网格模板上实逡逑现高阶多项式插值。紧致插值的特点使得这种方法能够很好地适用于非结构网格。逡逑矩变量在网格单元的定义如图２．１邋（右）所示，ＶＰＭ方法利用速度场ｕ（ｚ，？／，幻的两种逡逑矩变量，即定义在网格中心的ＶＩＡ，邋士以及定义在网格格点上的ＰＶ，逡逑ｊｕ办（２］１）逡逑Ａ：邋＝１，２，３；逡逑式中ＩＡＩ表示网格单元N系奶寤ǘ形婊Ｕ饫镂思虮悖俣韧獾钠渌锢礤义狭拷鍪褂茫郑桑磷魑肷⒈淞浚渲邪ㄑ沽Ρ淞竣椋┯胩寤质怼ｅ义衔迪指呓字毓梗紫仍谕竦ピ辽隙ㄒ逅俣瘸。酰希颍妫┑亩尾逯刀嘞钍剑湓阱义暇植孔晗迪碌谋泶锸轿哄义希藉澹
本文编号：2762713
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV139.2
【图文】：
动界面存在复杂的拓扑结构与尺度分离现象，对求解精度有着很高的要求。逡逑从上世纪五、六十年代开始，研究者们提出了许多求解运动界面的数值方法。ＭｉｒｊａｌｉＨ逡逑等人１４９１在其综述文章中对主流的运动界面处理方法进行了分类（图１．１）。其中，单流体逡逑５逡逑
（Ｐｏｉｎｔ邋Ｖａｌｕｅ，邋ＰＶ），将ＶＩＡ与ＰＶ都作为计算变量，ＶＰＭ方法可以在紧致的网格模板上实逡逑现高阶多项式插值。紧致插值的特点使得这种方法能够很好地适用于非结构网格。逡逑矩变量在网格单元的定义如图２．１邋（右）所示，ＶＰＭ方法利用速度场ｕ（ｚ，？／，幻的两种逡逑矩变量，即定义在网格中心的ＶＩＡ，邋士以及定义在网格格点上的ＰＶ，逡逑ｊｕ办（２］１）逡逑Ａ：邋＝１，２，３；逡逑式中ＩＡＩ表示网格单元N系奶寤ǘ形婊Ｕ饫镂思虮悖俣韧獾钠渌锢礤义狭拷鍪褂茫郑桑磷魑肷⒈淞浚渲邪ㄑ沽Ρ淞竣椋┯胩寤质怼ｅ义衔迪指呓字毓梗紫仍谕竦ピ辽隙ㄒ逅俣瘸。酰希颍妫┑亩尾逯刀嘞钍剑湓阱义暇植孔晗迪碌谋泶锸轿哄义希藉澹
本文编号：2762713
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