基于潜堤地形上的波浪传播模拟

李海涛　唐啸宇　李梦如　袁荣耀　徐乐然

摘 要：该文应用软件为FLUENT流体分析软件，控制方程为连续性方程和Navier-Stokes方程。应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG 湍流模型和VOF自由液面捕捉方法，利用FLUENT的二次开发编写源程序，赋予前边界造波功能，形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。建立潜堤地形下的波浪水槽模型，模拟潜堤地形下的波浪传播，其结果与实验值对比吻合良好，验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。

关键词：Fluent 推波板 造波 潜堤

中图分类号：TV13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0197-04

河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济，且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。潜堤在保护海岸工程建筑物发挥巨大的作用。因此，该文基于FLUENT对波浪在潜堤上的传播模拟做了一定研究。结果表明利用推板式造波法能够模拟波浪在潜堤地形上的传播，为进一步研究波浪爬高、波流相互作用积累了经验。

1 研究背景及意义

河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济，且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。

波浪在由深水向近岸传播的过程中，由于水深的变化，近岸区域的边界和建筑物等各种因素的作用，波浪会发生一系列的变化，例如有反射、绕射、折射、破碎等复杂多变的物理现象。解决这一问题的研究方法现在主要有三种方法，分别是理论研究、物理模型试验以及数值模拟。理论分析对试验和数值模拟具有相当重要的指导意义，但理论解通常是在简化模型的基础上求得，尽管对认识复杂问题的物理本质有着不可替代的作用，但是在解决实际工程问题中有局限性。

物理模型试验是通过实验波浪水槽，可以对波浪的产生、传播以及衰减等特性进行详细的实验观察，从而奠定了研究波浪理论的物理基础。同时波浪水槽实验也为海洋、海岸等工程设计提供了可靠以及有效的实验数据。而且很多水动力学中的非线性问题常常可以在实验水槽中观测得到。正是由于波浪水槽实验对于包括海浪在内的水波动力学研究具有如此重要的作用，各研究机构建造了波浪物理实验模型，进行各种环境下波浪传播变形的物理模型试验。但是高昂的造价，固定的功能，复杂的观察程序，以及相应的保养、维修等问题使物理模型试验受到局限。

而与此同时，随着计算机技术的快速发展，计算机数值模拟技术在各研究领域得到了广泛的应用。从而对波浪数值模拟的发展提供了条件。

近30年来，近海水域波浪的数值求解主要有以下模型：一类是基于Boussinesq型方程的计算模型，它是直接描述海浪波动过程水质点运动的模型，可以较好地模拟非线性波浪传播变形，但是求解难度大，仅适用于小范围水域的波浪数值模拟。第二类是基于缓坡方程的计算模型，它基于包括波高和波长在内的波浪要素缓变的事实，描述的是波浪波高、波长、频率等要素的变化，即着眼于波浪宏观上的整体特征，而不涉及具体的水质点运动过程。缓坡方程模型是基于线性理论的模型，求解相对简单，但难以描述波浪的非线性。

N-S方程是流体运动最基本的方程，应用面较广，能够适用于各种流体运动的研究。因此，采用以N-S方程为基础的波浪计算模型能更准确地模拟波浪的传播变形。

该文研究在潜堤地形中的波浪传播变形模拟。造波方法为推板式造波法，实验数据来源于大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波浪水槽试验。从而得出基于推板式造波法可以较为准确地模拟出波浪在潜堤地形上的传播变形。

该文基于商用流体分析软件FLUENT，采用两种方法造波方法分别为推板式造波，选取RNG k-epsilon湍流模型，利用VOF法捕捉自由液面变化，运用FLUENT的UDF功能编写程序载入FLUENT环境中，使水槽模型具有造波消波功能，模拟出各种工况的波浪水槽模型，并将模拟值与理论值进行比较。利用推板式造波法进行了潜堤地形上的波浪传播模拟。

利用GAMBIT建模软件并进行网格划分。采用局部加密网格技术在自由液面处进行加密处理，这样能更精确捕捉自由液面变化。在末端消波区网格进行稀疏处理能取得良好的消波效果。在FLUENT中设置合适的计算参数、初始条件、边界条件，根据不同的造波原理，应用UDF宏，赋予数值波浪水槽以造波功能，设置适当位置的监测点形成后处理数据。

2 数值模型

该文潜堤水槽的实验数据来源于大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的物理实验[1]。如图1，水槽长23 m、宽0.8 m、高0.8 m，水槽中设置一潜堤模拟海岸上沙坝。潜堤左右坡度均为1：10。潜堤顶长2.0 m，潜堤中心距水槽左端9.0 m。最大水深在堤两段平地处为0.5 m，最浅处在堤顶为0.2 m。

基于FLUENT流体分析软件[2]，建立与该实验相同规格的数值波浪水槽模型[3-4]，利用与实验法相同的推波板造波方法进行数值模拟[5]。造波板做简谐运动产生波浪，分别在距水槽左边界4.7 m、8.5 m、10.5 m、11.7 m、13.3 m、15 m处设置监测点，记录波面变化数据。

3 结果分析

图2（a）～（f）为对应4.7 m、8.5 m、10.5 m、11.7 m、13.3 m、15 m处模拟值与实验值的对比（实线为模拟值，虚线为实验值）。

图2为潜堤工况在不同位置处波面数值解与实验值比较。潜堤前，即4.7 m处，波峰变陡，波谷逐渐平坦，非线性较弱，计算结果与实验值吻合，且受地形影响较小。潜堤上，即8.5 m，10.5 m，11.7 m处，受潜堤的影响，波峰不断变高，波浪非线性增强，逐渐出现谐波，波面出现倾斜情况，计算结果与实验值吻合良好。潜堤后，即13.3 m，15 m处，波浪传播受潜堤影响最大，非线性作用达到顶峰，生成明显的谐波，模拟值与实验值吻合良好。由此可以得出，基于推板式造波法所生成的波浪在潜堤地形上的传播变形具有较高的准确性。

3 结语

该文基于商用流体分析软件FLUENT，以及大连理工大学实验水槽数据。采用推板式造波法，选取RNG k-epsilon湍流模型，利用VOF法捕捉自由液面变化，运用FLUENT的UDF功能編写程序载入FLUENT环境中，使水槽模型具有造波消波功能，进行了潜堤地形上的波浪传播模拟。模拟结果与实验结果吻合良好，验证的该方法在潜堤地形上模拟波浪的可行性，可以为港口海洋工程方面研究提供数据支持。

参考文献

[1] 邹志利.高阶Boussinesq水波方程数值模型及其与实验结果的对比[D].大连理工大学，2002.

[2] Fluent Inc.，FLUENT User Defined Function Manual[Z].Fluent Inc，2003.

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

[4] R.I.Issa.Solution of the implicitly discredited fluid flow equations by operator-splirring[J].Comput.Phys，1986（62）：40-65.

[5] 宁德志，石进，滕斌.均匀流中双频波传播特性的模拟研究[J].计算力学学报，2014（3）：402-407.