CN111241756A - 基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于波浪数值水槽技术领域，提供了一种基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法。本方法采用边界元方法建立的推板式造波机模型的基本思路，建立了一个新的造波函数及波浪消波算法，在基于Navier‑stokes方程的FLUENT软件二次开发中，造波板边界采用FLUENT的动网格技术，只建立速度边界条件，压力和速度项不耦合，这样稳定性更高。同样道理，在造波板和波浪数值水槽远端添加波浪阻尼层，只吸收速度项。研究中应用VOF法来追踪波浪的自由表面运动。应用该波浪数值水槽造波方法可以研究复杂的非线性波浪与结构物相互作用问题。

Description

基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法

技术领域

本发明属于波浪数值水槽技术领域，利用Fluent UDF的方法对形成一种波浪数值水槽的造波方法。

背景技术

波浪数值水槽的数值造波技术，是利用计算机技术来模拟物理造波的一种重要手段。通过数值造波技术的研究，人们可以在计算机上模拟重力作用下具有自由表面的波浪运动，使其逼近于物理造波机所形成的波浪。近几十年中，波浪数值水槽研究取得了诸多成果，Ursell et al提出了应用推板式造波机方法进行数值造波，这个理论基于典型流体力学的基本假设，如流体无粘性、均匀密度、从静止开始流动、非线性项忽略等，但是在当时并没有解决消除波浪反射的影响。A.T.CHWANG&W.LI提出了在定常深度的半无限长水槽的末端附近，应用线性多孔渗透造波理论，分析活塞式多孔渗透造波产生的小振幅表面波。根据自由表面波形、流体压力分布及波板处净力获得闭型解析解。

Peter&Julien应用VOF法追踪数值波浪水槽的自由表面运动，实现了在数值水槽中应用推板式造波技术的同时还通过吸收波浪来消除边界的反射，这种吸收波浪的方法可以有效的缩短数值水槽的尺寸，计算效率也有了明显的提高。王永学利用VOF模型分析孤立波遇到直墙时的建筑物出现波浪破碎的过程，通过数值模拟获得了孤立波在直墙上的冲击力，同时模拟出了在直墙前的波浪变形、破碎的一系列过程。Tanizawa,Wang Ke et al应用边界元方法建立时域数值波浪水槽，通过引入推板式造波机实现波浪造波，通过在造波板和水槽远端施加阻尼层的方法实现波浪消波，自由表面采用混合欧拉-拉格朗日模型，应用龙格库塔方法实现液面更新。董志和詹杰民利用计算流体力学软件FLUENT和它的UDF功能进行数值波浪水槽的造波和消波，详细介绍了基于推板和摇板的动边界造波、动量源造波以及多孔介质结构消波等数值方法来模拟弱非线性波。朱仁传等，李凌等基于N-S方程和有限体积法，人工的将入射波的波场作为源加入动量方程，给出了适合VOF的源造波法及消波技术，该方法对波浪遇结构物产生的反射波有较强的消除作用。

发明内容

由于基于Navier-stokes方程的计算流体力学软件FLUENT，功能强大，计算稳定性高，本研究的基本思路是以FLUENT算法为核心，通过其UDF模块将基于时域边界元理论的数值波浪水槽的推板造波和消波技术引入到FLUENT中来开发出更高效的数值波浪水槽系统，可以考虑粘性和湍流影响，极大地扩大了FLUENT的应用范围。与上述源造波法在造波板边界处同时修改Navier-stokes方程中的速度项和压力项不同。本研究采用边界元方法建立的推板式造波机模型的基本思路，建立了一个新的造波函数及波浪消波算法，在基于Navier-stokes方程的FLUENT软件二次开发中，造波板边界采用FLUENT的动网格技术，只建立速度边界条件，压力和速度项不耦合，这样稳定性更高。同样道理，在造波板和波浪数值水槽远端添加波浪阻尼层，只吸收速度项。研究中应用VOF法来追踪波浪的自由表面运动。

本发明的技术方案：

基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法，步骤如下：

(1)计算模型

数值波浪水槽的计算模型示意图如图1所示，水槽长度为L₀，高度为H₀，水深为H＝H₀/2；整个水槽分两个区域Ω_a和Ω_W，Ω_a为大气域，Ω_W为所计算的流体域，两个区域的交界面为自由表面边界S_F，水槽的底边界为S_B，二维笛卡尔坐标系oxy固定在左边界处，x轴在自由表面处，水平向右，y轴沿水槽的高度方向垂直向上；

(2)控制方程

对于不可压缩的二维数值波浪水槽粘性流，FLUENT应用的基本方程如下所示，即Navier-Stokes方程：

式(1)和(2)分别是流体的连续性方程和动量方程，其中，u,v分别为x,y方向的速度，ρ为液体密度，p为压力，μ为动力粘性系数，S_x,S_y分别为x,y方向上的附加动量源，默认值为0；

(3)边界条件

对于非定常运动问题，需要考虑初始条件的设置；初始条件就是t＝t₀时各变量的分布，其表示如下：

其中，u＝u(x，y，t₀)代表速度u函数有x,y,t三个变量，初始条件u是t₀时刻的速度，u₀(x，y)代表初始条件u的具体数值，v和p同理；数值波浪水槽的边界条件包括两种类型：流固边界条件和气液边界条件；海底S_B表面的边界条件为流固边界条件，采用非滑移边界条件；自由水面S_F处的边界条件为气液边界条件，采用波面方程推导出的边界条件；

(4)推板式造波

在图1所示的波浪数值水槽的垂直边界S₀处安装一个活塞式造波机用来产生沿水槽方向的重力波，为简化问题，取造波板做谐波运动，其位移函数S_p为：

其中：s为造波板振幅，ω为推板圆频率；

为了避免波浪域受到突然扰动而产生数值不稳定性，在造波板启动的初始时刻加入一个修正函数使造波板缓慢起动，此时造波板速度用u_m表示，u_m＝f_m(t)u；f_m(t)为修正函数，取为：

式中，T_W为设定的造波修正时间，取为一个波浪周期T；

(5)阻尼层消波

由于水槽的右边界为固壁边界，要考虑右端波浪的反射作用；利用FLUENT模拟数值波浪水槽运动，保证模拟的持久性，与势流边界元方法中阻尼层消减速度势和波高不同，在FLUENT的N-S方程中采用消减速度源项的方法建立波浪阻尼层，实现数值消波，阻尼层长度为一倍波长；通过FLUENT UDF实现的，具体速度源方程为：

其中，ρ为液体密度；γ(x_e)为阻尼系数；u_e、υ_e分别为无波浪传播时水平，垂直速度，此处取值为0。

本发明的有益效果：在Navier-stokes动量方程中发明了速度项源消波函数，消波源只考虑速度边界条件，压力和速度项不耦合，这样稳定性更高。造波板边界采用FLUENTUDF和动网格技术，相比与原先的BEM方法建模更高效，能考虑湍流和粘性问题，求解较稳定，应用范围更广。

附图说明

图1是数值波浪水槽示意图。

图2是本发明发流程图。

图3是距造波板1倍波长处(x＝λ)波高随时间变化图。

图4是距造波板1.5倍波长处(x＝1.5λ)波高随时间变化图。

图5是t＝15T时刻波面图。

图6是t＝20T时刻波面图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，并与BEM方法和理论值进行对比。

第一步，采用边界元方法建立的推板式造波机模型的基本思路，在FLUENT中构造造波板，并编写造波函数UDF文件。

第二步，剖分模型网格，进行边界条件设置，加载UDF文件，选择合适的求解器。

第三步，计算并检查结果数据，数据对比分析如下所述。

图3-4中横坐标为无量纲化的时间

纵坐标为无量纲化的波浪振幅η/H。g为重力加速度，H为水深。从图3可以看出，BEM结果在

以后基本与理论值相匹配，而FLUENT模拟结果在

以后才与理论值吻合，这表明在这两种方法中，BEM比FLUENT在时间上先达到预期收敛效果。从图4所示x＝1.5λ处波高的变化可以看出，BEM仍比FLUENT在时间上先与理论值相匹配，但是在波浪传播过程会发现应用两种方法都会出现一个峰值突变，BEM的峰值突变明显高于FLUENT的值，这主要是由于阻尼层突变引起的，同时还可以发现跟边界元和解析结果相比，FLUENT模拟的波面与理论值在波峰处相差较小，而在波谷处相差较大，这是由于FLUENT考虑了流体粘性，这与实际情况也是相符的。图5是时间为15个周期时的自由表面对比图，图6是时间为20个周期时的自由表面对比图。通过观察图5、6可知，在距离造波板一倍波长的阻尼层范围内，FLUENT模拟的结果和BEM模拟的结果跟理论值比较都有一定的相位和振幅误差，但误差都在很小的范围内，这是由于尽管造波板的运动是线性运动，但由于自由表面运动是完全非线性的，使流体域波浪传播不稳定，有瞬时波浪产生的结果。在数值水槽末端阻尼层中，BEM的消波能力要比FLUENT结果强，BEM方法基本将波浪全部吸收，而FLUENT只吸收了一部分，但波浪也不会发生反射波影响波浪水槽的正常使用。

Claims (1)

1.基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法，其特征在于，步骤如下：

(1)计算模型

数值波浪水槽的计算模型示意图如图1所示，水槽长度为L₀，高度为H₀，水深为H＝H₀/2；整个水槽分两个区域Ω_a和Ω_W，Ω_a为大气域，Ω_W为所计算的流体域，两个区域的交界面为自由表面边界S_F，水槽的底边界为S_B，二维笛卡尔坐标系oxy固定在左边界处，x轴在自由表面处，水平向右，y轴沿水槽的高度方向垂直向上；

(2)控制方程

对于不可压缩的二维数值波浪水槽粘性流，FLUENT应用的基本方程如下所示，即Navier-Stokes方程：

式(1)和(2)分别是流体的连续性方程和动量方程，其中，u,v分别为x,y方向的速度，ρ为液体密度，p为压力，μ为动力粘性系数，S_x,S_y分别为x,y方向上的附加动量源，默认值为0；

(3)边界条件

对于非定常运动问题，需要考虑初始条件的设置；初始条件就是t＝t₀时各变量的分布，其表示如下：

其中，u＝u(x，y，t₀)代表速度u函数有x,y,t三个变量，初始条件u是t₀时刻的速度，u₀(x，y)代表初始条件u的具体数值，v和p同理；数值波浪水槽的边界条件包括两种类型：流固边界条件和气液边界条件；海底S_B表面的边界条件为流固边界条件，采用非滑移边界条件；自由水面S_F处的边界条件为气液边界条件，采用波面方程推导出的边界条件；

(4)推板式造波

在图1所示的波浪数值水槽的垂直边界S₀处安装一个活塞式造波机用来产生沿水槽方向的重力波，为简化问题，取造波板做谐波运动，其位移函数S_p为：

其中：s为造波板振幅，ω为推板圆频率；

为了避免波浪域受到突然扰动而产生数值不稳定性，在造波板启动的初始时刻加入一个修正函数使造波板缓慢起动，此时造波板速度用u_m表示，u_m＝f_m(t)u；f_m(t)为修正函数，取为：

式中，T_W为设定的造波修正时间，取为一个波浪周期T；

(5)阻尼层消波

由于水槽的右边界为固壁边界，要考虑右端波浪的反射作用；利用FLUENT模拟数值波浪水槽运动，保证模拟的持久性，与势流边界元方法中阻尼层消减速度势和波高不同，在FLUENT的N-S方程中采用消减速度源项的方法建立波浪阻尼层，实现数值消波，阻尼层长度为一倍波长；通过FLUENT UDF实现的，具体速度源方程为：

其中，ρ为液体密度；γ(x_e)为阻尼系数；u_e、υ_e分别为无波浪传播时水平，垂直速度，此处取值为0。

Images