基于Fluent的数值造波及其对水平板冲击作用初步研究

刘师辉　胡金鹏

摘 要：该文基于不可压缩黏性流体的N-S方程和RNG 湍流模型，利用Fluent软件的二次开发功能，采用VOF方法建立了二维波浪数值水槽。通过UDF定义动边界的运动规律以及在水槽尾端添加消波区的方式，实现了二维线性规则波和二阶stokes波的造波和消波，得到的数值波浪形状和理论波形拟合良好。参照已有物理模型试验资料，数值模拟了波浪对水平板的冲击过程，对比物理试验和数值试验板下11个测压点峰值压强数据，发现数值试验数据较好的拟合了物理试验数据，表明Fluent在模拟波浪与结构物的相互作用方面具有较高的可靠性，为进一步探究影响波浪对水平板冲击压强大小的因素奠定了基础。

关键词：Fluent；数值造波；水平板；冲击压强

中图分类号：P731.22 文献标识码：A

Abstract： Based on the N-S equations for viscous， incompressible fluid and RNG turbulence model， a two-dimensional numerical wave tank is established by utilizing the secondary development function of the software Fluent and the VOF method. A two-dimensional linear regular wave and a second-order stokes wave are generated by defining the motion of moving boundary and adding wave absorption zone at the end of the wave tank. The obtained numerical wave shape agreed well with the theoretical shape. The impact of waves on the horizontal plate is simulated referring to the existing physical model test. By Comparison of the physical and the numerical pressure data of 11 pressure points under the horizontal plate， it is found that they fit well， indicating the effectiveness of Fluent in simulating the interaction between waves and structures， which lays a foundation for further exploring the factors that affect the magnitude of the impact pressure on the horizontal plate.

Key words： Fluent； Numerical waves； Horizontal plate； Impact pressure

1 前言

随着海洋经济的飞速发展，探究波浪的生成、演变及其对海工结构物作用的规律成为了一个热门学科。为了更好的研究波浪对海工结构物的作用的规律性，在研究中常采用价格低廉且可重复的人工模拟造波的方式进行。人工模拟造波分为物理模型试验和计算机数值模拟试验两种方法：相较于物理模型试验，计算机数值模拟试验的优点主要是具有较高的经济性和较小的比尺效应，并且可以有效避免物理模型试验中传感器对流场的影响，因此计算机数值模拟造波得到越来越多学者的青睐。

目前关于数值造波的研究多集中于造波和消波方法上。

梁修峰[1]仿物理造波方法中的揺板式造波，结合Fluent软件中用户自定义UDF及动网格功能，较好的模拟了不规则波的运动；Kim[2]等利用改进的MAC方法，实现了三维数值水槽中不规则波浪的模拟；刘加海[3]通过设定造波板边界的运动规律来模拟物理造波板的运动过程，实现了二维规则波的数值模拟，并进一步分析了模拟波高随造波板运动周期、振幅和坐标的关系；李宏伟[4]同时采用揺板式造波和源造波两种方法，模拟生成了线性规则波、不规则波、stokes波以及孤立波，并对比了两种方法的优缺点；辛颖[5]利用UDF宏功能定义了板式造波机的运动规律并实现了消波区的消波功能，所模拟的数值波浪与理论解及边界元结果吻合良好。

在消波技术方面，董志[6]提出了多孔介质消波方法，认为多孔介质消波效果良好并给出了最佳的造波-消波组合；韩鹏[7]基于VOF方法，在水槽右端设置一定长度的海绵层吸收波浪，对比了五种不同海绵层衰减系数的水槽反射率，认为线性衰减系数的消波效果最好。

在数值水槽中加入结构物以模拟现实海洋环境下波浪对海洋建筑物的作用是当下十分流行的趋势。郑艳娜[8]利用Fluent软件的二次开发功能，建立了二维波浪数值水槽，通过在波浪场设置潜堤，探究了Fluent在模拟波浪与结构物相互作用方面的有效性；Rolf Baarholm[9]采用非线性边界元方法模拟了波浪冲击水平板的过程；孙家文[10]应用改进的不可压缩流体动力学（ISPH）方法，成功建立了波浪对水平板冲击作用的数值模型，模型结果与物理试验结果吻合良好。

本文基于Fluent軟件用户自定义函数（UDF）功能，采用推板式造波方法模拟生成二维线性规则波及二阶stokes波。在数值水槽添加水平板，模拟规则波对水平板的冲击作用，通过对比数值试验数据和物理试验数据，以验证Fluent在模拟波浪与结构物作用上的可靠性。endprint

2 数学模型

流体连续性方程：

3 数值模拟

3.1 几何模型

利用gambit软件建立二维数值水槽（见图1）：水槽长16 m、高1.2 m、水深0.8 m，消波区位于水槽最右端12～16 m处，造波板设定在左边界；

流场网格划分（见图2）：网格总数16 800个；在非消波区域网格沿波浪传播方向尺寸Δx=0.05 m；消波区采用渐变疏方式划分，Δx=0.05～0.15 m；纵向网格采用指数网格划分方式，在自由液面处加密处理以提高计算精度。

3.2 波浪的模拟

所模拟的规则波和二阶stokes波要素相同：波高H=0.1 m、周期T=1.6 s、水深h=0.8 m、波长L=3.55 m；推板的运动规律通过UDF中的DEFINE_CG_MOTION宏来定义；消波源项则通过DEFINE_SOURCE宏来编写，并最终在 Define命令窗口导入Fluent。

3.3 Fluent求解

模型采用推板式造波方法，故定义左边界为动边界、顶部边界为压力入口边界，其余为固壁边界；自由液面捕捉采用VOF方法；湍流模型使用RNG k-ε湍流模型，压力速度项采用PISO算法进行迭代计算；动网格模块选择铺层进行网格更新以实现造波板的运动，时间步长取0.005 s，总计算时长50 s。

3.4 计算结果分析

图3 （a）、（b）分别为规则波1倍和3倍波长处虚拟浪高仪所测得的波浪位移随时间变化历程曲线与理论曲线的对比。从图中可以发现：数值模拟波浪与理论解拟合的较好，各位置处模拟波浪周期与理论周期基本相同，相位也几乎不存在偏差；但波高沿程有衰减，波高衰减程度随波浪传播距离增加而增加，这主要是因为基于势流理论的规则波是在无旋无粘的理想状态下提出的，而本文模拟的数值波浪考虑了水的粘性效应和紊动效应，因此波浪能沿程会损耗，而这也更符合现实波浪的传播情况。

图4 （a）、（b）分别为二阶stokes波数值解与理论解对比曲线以及数值解与理论规则波波面对比曲线：从图（a）中可以发现，该数值水槽模拟的二阶stokes波波形曲线与理论波形曲线十分吻合，说明该模型模拟生成的stokes波效果良好；图（b）中的波形曲线对比则很好的体现了stokes波“波峰尖陡，波谷平坦”的非线性特征。

4 波浪与水平板的相互作用

4.1 水平板及测压点的布置

大连理工大学任冰[11]博士做过系列波浪对水平板的冲击物理模型试验，参照其规则波对水平板的冲击作用物理模型试验，波浪数值水槽几何尺寸及平板布置见图5：水槽长16 m、高1.0 m、水深0.6 m，消波区位于12～16 m处；水平板中心位于x=8 m处，板长1.0 m、板厚0.02 m，板底距自由水面0.02 m。

板底等间距布置11个虚拟测压点，测压点之间间距0.09 m，最左端和最右端测压点距离板左右两端点间距为0.05 m。

4.2 波浪对水平板的冲击作用

根据相对板长的不同进行了两组数值试验：（1）H=0.1 m、T=1.5 s、Δh=0.03 m、L1=2.99 m、Lm/ L1 =0.33；（2）H=0.1 m、T=1.2 s、Δh=0.03 m、L2=2.12 m、Lm/ L2 =0.47。每组试验模拟时间为30个波浪周期，每一个周期将有一个峰值压强，将每个测点30个峰值压强的前1/3大值的平均值PC，1/3作为该测点冲击压强特征值，并与物理模型试验的压强数据对比，其结果见图6。

从图6可以看出，不同工况条件下，数值模拟峰值压强沿板底分布规律与物理模型试验所得的规律大致相同，说明Fluent在模拟波浪对平板结构物的冲击作用方面具有较高的准确性。

5 结论

本文基于Fluent软件平台，利用其用户自定义函数功能（UDF）仿物理推板式造波方法，成功模拟了二维线性规则波及二阶stokes波，并通过在数值水槽中加入水平板式结构物，模拟了波浪对水平板的冲击过程。总结如下：（1）该文采用RNG k-ε模型结合VOF自由液面捕捉方法模拟出的二维规则波及二阶stokes波均很好的拟合了理论波形，stokes波较好的体现了“波峰尖陡，波谷平坦”的非线性特征，波高的沿程衰减在一定程度上反映了真实粘性流波浪的传播状态；（2）对照已有物理模型试验，数值模拟规则波对水平板的冲击过程，统计板下11个测点的特征峰值压强并与物模数据对比，发现数值结果具有较高精度。不足之处在于数值试验未考虑波浪的损耗以及水平板对波浪场的干扰等因素对计算值的影响，需后续研究进一步完善。

本文建立的波浪数值水槽为后续进一步研究波浪对板式结构物冲击作用的影响奠定了基础。

参考文献

[1] 梁修锋， 杨建民， 李欣，等.不规则波浪的数值模拟[J].船舶力

学， 2010，14（5）.

[2] 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（5）.

[3] 刘加海， 杨永全， 张洪雨，等. 二维数值水槽波浪生成过程及波浪形

态分析[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2004， 36（6）.

[4] 李宏伟. 数值水池造波方法研究[D]. 哈尔滨工程大学， 2009.

[5] 辛颖. Fluent UDF方法在数值波浪水槽中的应用研究[D]. 大连理工大

学， 2013.

[6] 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）.

[7] 韩朋. 基于VOF方法的不规则波阻尼消波研究[D]. 大连理工大学，

2009.

[8] 郑艳娜， 刘卓， 陈昌平，等. 基于Fluent软件二维数值波浪水槽的研

究[J]. 中国海洋平台， 2015， 30（6）.

[9] Baarholm R， Faltinsen O M. Wave impact underneath horizontal decks[J].

Journal of Marine Science & Technology， 2004， 9（1）.

[10] 孙家文. 波浪对水平板冲击作用的实验研究与数值模拟[D]. 大连理

工大学， 2011.

[11] 任冰. 隨机波浪对不同接岸型式码头上部结构的冲击作用研究[D].

大连理工大学， 2003.endprint