基于Fluent软件二维数值波浪水槽的研究

郑艳娜， 刘　卓， 陈昌平， 张佳星

(大连海洋大学 海洋与土木工程学院， 辽宁 大连 116024)



基于Fluent软件二维数值波浪水槽的研究

郑艳娜， 刘卓， 陈昌平， 张佳星

(大连海洋大学 海洋与土木工程学院， 辽宁 大连 116024)

摘要：该文利用Fluent软件，采用VOF(流体体积)法，基于N-S方程和RNG Κ-ε湍流模型，通过C语言进行二次开发，模拟二维数值波浪水槽，并与理论结果对比验证数值水槽的准确程度，进而在数值波浪场中放置潜堤结构物，将模拟的数值结果与实测数据进行对比。试验结果验证了Fluent软件模拟二维数值波浪水槽及结构物的可行性与有效性，为深入研究数值波浪水槽内结构物的水动力特性奠定了基础。

关键词：Fluent软件；数值模拟；二维波浪水槽；结构物

0引言

随着近海结构物应用的不断增多，波浪对结构物的影响日益突出，在研究波浪与结构物相互作用时，采用波浪水槽进行物理模型试验可以为数值模拟以及结构物设计提供依据。近年来，随着计算机技术的不断发展，建立数值波浪水槽具有广阔的应用前景。数值模拟与物理模型试验相比，不仅节约了人力、物力及财力，而且数值模拟的可重复性好、条件更易于控制。因此，建立实验需求的数值波浪水槽也成为众多学者关注的焦点。王永学[1]利用VOF法，用吸收式造波机和普通造波机分别模拟二维波浪数值水槽，并将其所得的数值解进行了对比。Tanizawa等[2]采用边界元方法，研究了二维数值水槽中非线性波的生成，同时在时域内求解了非线性的波浪场及引起的浮体运动。Kim等[3]采用有限差分法和改进的MAC方法，建立了非线性不规则三维数值波浪水槽。Li[4]将垂直矩形桩加入到三维数值波浪水槽中，进一步研究了波浪与结构物的相互关系。

随着商业软件Fluent的出现，应用Fluent软件及其UDF二次开发功能模拟数值波浪水槽也取得了很大进展。董志和詹杰民[5]等利用Fluent及UDF的二次开发，进行了数值波浪水槽的造波和消波，并详细介绍了推板边界造波、动量源造波以及多孔介质结构消波等方法，同时对多种方法进行了对比。兰雅梅[6]基于N-S方程和VOF法，利用源造波方法以及消波技术模拟了数值波浪的造波消波功能。杨锦凌[7]基于Fluent软件，利用软件的二次开发建立了具有造波、消波功能的数值波浪水槽。辛颖[8]利用Fluent UDF的二次开发功能建立波浪水槽中推板式造波机的动边界运动和水槽远端的动量源消波。李胜忠[9]基于不同方法对二维波浪水槽进行了系统的研究。

综上所述，在基于Fluent软件模拟数值波浪水槽方面，主要是对造波、消波等数值波浪的研究以及不同造波方法的对比，对于应用数值波浪水槽研究结构物与波浪的相互作用方面还需深入探讨。该文基于Fluent软件及其UDF的二次开发以及N-S方程和连续性方程，运用边界造波法的速度入口造波，通过在水面取不同的基点，运用VOF方法追踪二维数值波浪水槽中的自由表面运动，将求得的数值解与理论解进行对比，同时在二维数值波浪场中加入结构物，模拟结构物对波浪的作用，并与实测数据进行对比，验证基于Fluent的波浪与结构物相互作用模型的有效性。

1数学模型

1.1流体运动控制方程

假定流体不可压缩，根据流体力学理论，对于二维自由面流动问题，连续性方程为：

(1)

动量方程为：

(2)

1.2边界条件和初始条件

自由表面的运动学边界条件：

(3)

自由表面的动力学边界条件：

(4)

壁面(水槽的底面和两侧面)边界条件：

(5)

式中： k为湍动能；ε为湍动能耗散率；n为壁面的外法线方向。

1.3入射边界条件

在速度入口处，X方向和Z方向的速度分别如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

2数值模拟

2.1模型建立

通过ICEM CFD(Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code for Computational Fluid Dynamics)建立二维平面水槽，划分网格。

二维数值波浪水槽总长100 m，高10 m，水相深4 m，空气相高6 m，利用ICEM划分非结构化网格，波浪水槽如图1所示。

图1　波浪水槽示意图

2.2模拟数值波浪水槽

数值模拟中，采用Fluent的VOF模型、Segregated求解器和UDF的二次开发，湍流模型选用RNG的k-ε模型，采用压力速度耦合的SIMPLE算法求解非定常状态下的稳流问题，设定相应的边界条件和初始条件进行求解，通过速度入口的动边界造波法进行数值波浪的模拟。

初始条件：波浪水槽中初始速度u=0，w=0，迭代精度e=0.05。

边界条件：定义左边界为速度入口，上边界为压强入口，下边界和右边界均为壁面。

在二维波浪水槽中模拟二阶Stokes波，入射波的波高、波长和周期分别取1 m，6 m和1.96 s。图2给出了t=15T时间段内，距造波边界不同距离处的波面过程线，并与理论波形进行了对比。

图2　波浪水槽不同位置处波面历时曲线

由图2可以看出，波浪在不断的推进过程中，不同位置处的数值波浪周期与理论波周期基本一致，但是波高略有差别。随着时间的推移，水面高度增大，并逐渐接近理论波，形成比较稳定的波面，波形图的模拟值与理论值也基本相同。同时，在时间增长的过程中，波高略有减小，原因在于数值模型中考虑到了水的粘性作用等因素，使得波浪沿程有一定的衰减。

另外比较图2(a)和图2(b)可知，不同位置处基于速度入口的动边界造波法模拟出的数值波与理论值的差别不同，因此在进行结构物模拟时其位置不宜距离造波边界过大。

2.3模拟放置结构物的波浪水槽

在数值波浪水槽中放入潜堤[10]，研究水槽内波面的变化情况，并与Lin[11]的实测结果进行对比，以验证该文数值造波的可行性。

波浪水槽总长为27 m，高0.6 m，水深0.4 m。造波的理论波高H=0.02 m，波长L=3.8 m，周期T=2 s，水深D=0.4 m。潜堤上宽2 m，下宽11 m，高度0.3 m，左端距离波浪数值水槽6 m，右端距离波浪数值水槽10 m。为了获取波面高度，在潜堤附近布置监控点A和B，距造波边界分别为12.5m和14.5m，潜堤示意图如图3所示。

图3　潜堤示意图

在波浪稳定后的时间段内截取A、B两个监控点的波面历时曲线并与实测结果作对比，分别如图4(a)和图4(b)所示。

图4　潜堤附近波面历时曲线

由图4可以看出，在水槽中加入潜堤后，数值波在形态上会发生一些变化，主要是由于波浪传到潜堤时会产生反射，对入射波产生干扰。图4(a)中堤前的波峰值略大于实测结果，图4(b)中在潜堤后的模拟波面与实测波面的波高、周期基本相同，说明该文的数值模拟结果与实测结果吻合良好，从而验证了Fluent软件模拟二维数值波浪水槽及结构物的可行性。

3结论

该文基于Fluent软件平台，利用C语言进行二次开发，运用速度入口的边界造波法，模拟了二阶Stokes波，通过不同位置的波形图与理论波的对比可知，数值水槽造波与理论波浪吻合较好。在水槽中加入潜堤后，数值模拟结果与实测数据大致吻合，说明该文建立的数值波浪水槽内设置结构物的模型具有一定的准确性，为深入研究数值波浪水槽内结构物的水动力特性奠定了基础。

参考文献

[ 1 ]王永学.无反射造波数值波浪水槽[J].水动力学研究与进展,1994,9(2):205-214.

[ 2 ]Tanizawa K.The state of the art on numerical wave tank[C]. Proceeding of 4th Osaka Colloquium on Seakeeping Performance of Ships, Osaka: Japan, 2000.

[ 3 ]Kim M H, Celebi M S, Kim D J. Fully nonlinear interactions of waves with a three-dimensional body in uniform currents[J]. Applied Ocean Research,1998,20(6):309-321.

[ 4 ]LI Chi-wai, LIN Peng-zhi. A numerical study of three-dimensional wave interaction with a square cylinder[J]. Ocean Engineering,2001,28(8):1545-1555.

[ 5 ]董志，詹杰民.基于VOF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究[J].水动力学研究与进展，2009,24(1):15-21.

[ 6 ]兰雅梅，郭文华,宋秋红，等.基于VOF方法的造波、消波技术[J].中国海洋平台，2010,25(1):22-31.

[ 7 ]杨锦凌，孙大鹏.基于fluent二次开发的数值波浪水槽[J].中国水运，2012,12(5):59-61.

[ 8 ]辛颖.fluent UDF方法在数值波浪水槽中的应用研究[D].大连：大连理工大学,2013.

[ 9 ]李胜忠.基于fluent的二维数值波浪水槽研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006.

[10]张淑华，杨方方, 赵传刚.数值波浪水槽造波技术及其工程应用研究[J].科学技术与工程，2013,13(27):8046-8051.

[11]LIN P，LIU P L F. A numerical study of breaking waves in the surf zone[J]. Journal of Fluid Mechanics.1998,35(9):239-264.

Study on the Two-dimension Numerical Wave Tank Based on Fluent

ZHENG Yan-na， LIU Zhuo， CHEN Chang-ping, ZHANG Jia-xing

(School of Ocean and Civil Engineering, Dalian Ocean University, Liaoning Dalian 116024， China)

Abstract：In this paper, a two-dimension numerical wave tank is proposed based on the Fluent software by means of secondary development using C language. The N-S equations and RNG Κ-ε turbulence model are used with the VOF method (volume of fluid). The unstructured grid is divided by the pre-processing software ICEM (Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code). The simulated water surface in the wave tank is compared with the theoretical results to verify the wave tank. Then a structure is put into the numerical wave tank and the comparison between the numerical results with measured data shows the validity of numerical generated wave which is a good foundation for the further numerical study on the hydrodynamic character of structures in wave tank.

Keywords：fluent software; numerical simulation; two-dimensional wave tank; structure

基金项目：国家科技重大专项资助项目(2011ZX05056-003-01)。

收稿日期：2015-06-23

中图分类号:TV653

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0067-05

作者简介：郑艳娜(1978-)，女，副教授。