三维数值波浪水池造波技术研究

数值波浪水池是一种新兴的研究平台,相对于物理实验具有经济花费少、结果数据详细等优势.采用FLUENT软件建立三维粘性数值波浪水池,运用二次开发接口UDF(Universal Disc Format)模拟造波机的工作方式,实现摇板造波和在动量方程中添加源项实现消波区的消波.数值水池运用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)模型捕捉自由面,湍流模型为RNG雷诺时均模型.输入波列为同一波长、多个波高的简谐波波浪序列,将序列中的计算结果与理论值对比,验证数值波浪水池的造波能力.     

粘性流体数值波浪水池研究

数值波浪水池是近年来船舶流体力学方向的前沿课题,本文采用Fluent软件,利用VOF模型捕捉自由液面,结合RNGk?ε湍流模型,求解N-S方程,对目前数值造波较为典型的仿物理造波法和直接造波法在二维模式下进行分析,并对三维模式的数值造波作了初步分析.在仿物理造波法中模拟真实水池中推板式造波机,利用动网格和阻尼消波技术,生成规则波的情况.在直接造波法中,利用给定入口边界速度或压力并结合阻尼消波技术,在数值水池模拟规则波,得到直接造波法的数值波形与理论波形的吻合度要优于仿物理造波法的结果.为在数值波浪水池中对船舶水动力性能预报奠定基础.     

粘性流体数值波浪水池研究

数值波浪水池是近年来船舶流体力学方向的前沿课题,本文采用Fluent软件,利用VOF模型捕捉自由液面,结合RNG湍流模型,求解N-S方程,对目前数值造波较为典型的仿物理造波法和直接造波法在二维模式下进行分析,并对三维模式的数值造波作了初步分析。在仿物理造波法中模拟真实水池中推板式造波机,利用动网格和阻尼消波技术,生成规则波的情况。在直接造波法中,利用给定入口边界速度或压力并结合阻尼消波技术,在数值水池模拟规则波,得到直接造波法的数值波形与理论波形的吻合度要优于仿物理造波法的结果。为在数值波浪水池中对船舶水动力性能预报奠定基础。     

基于摇板式造波机的无反射造波仿真

在海洋工程水池试验中,造波机与模型之间的二次波浪反射严重影响试验结果的准确性和可靠性。在势流理论的基础上,采用边界元法建立了二维线性数值波浪水池。通过数值模拟结果与解析解的比较,证实该数值波浪水池的适用性。采用全相位频谱分析方法作为水动力反馈,对入射和反射波进行分离,以分离的反射波信号控制摇板运动以达到吸收二次反射波浪的目的。在此基础上,对摇板式造波机在数值波浪水池中进行了无反射造波仿真试验。仿真结果表明,采用无反射造波后,能有效减弱波浪的二次反射。     

基于FLUENT的垂向二维数值波浪水槽的造波效果

建立精准的数值波浪水槽需要选取合适的造波方法、波浪方程和网格尺寸。利用FLUENT流体力学模型,采用源项法、推板法、速度边界法3种造波方法,分别建立不同网格尺寸和波陡条件下的数值波浪水槽。结合相应的波浪理论,比较采用各造波法的数值一阶线性波和二阶Stokes波、三阶Stokes波效果,得出数值波传播特点、适宜网格尺度及波陡对数值波效果影响。结果表明,源项造波法造波的波高沿水槽衰减最快,对网格尺寸变化最敏感;推板造波法数值造波效果最好;速度边界造波法计算效率最高,数值波高沿水槽衰减速度最小;在数值水槽的波浪传播有非线性作用影响,导致即使造波是线性波,传播到一定距离后,波面也有非线性变形。     

基于二阶造波理论的聚焦波实验室模拟

目前实验室中的聚焦波均是利用线性叠加原理产生的,其中造波板位移为各组成波浪按线性造波理论所得分量之和。但是聚焦波浪特性会受到线性造波板位移产生的自由伪谐波的影响。文章采用二阶造波理论建立实验室中聚焦波浪造波软件,并分别采用一阶理论和二阶理论进行物理水槽和数值水槽造波实验,结果表明采用二阶造波理论可以有效地提升水槽聚焦波浪的模拟精度。     

楔形冲箱的二阶斯托克斯波制造理论及其SPH检验

冲箱式造波机已应用于国内外许多物理水池,但缺乏制造二阶斯托克斯波的冲箱运动控制理论。基于冲箱浸没体积的变化量与生成的波浪体积相守恒的原理,推导了关联楔形冲箱运动与目标波浪要素的隐式方程组,并给出了制造二阶斯托克斯波的约束条件。应用推导的造波理论,在经过精度检验和收敛性分析的光滑粒子流体动力学（SPH）波浪水池中模拟二阶斯托克斯波的生成。将数值波面与解析波面进行比较,显示生成的二阶斯托克斯波的波形稳定、波要素准确,证实了该造波理论的可靠性。     

具有ARC功能的摇板式造波机的应用研究

船舶试验科学的发展促进了水池试验水平的提高,采用具有ARC(主动式消波)技术的造波系统会有效地吸收各种反射波,明显提高水池的波浪模拟质量.本文针对摇板式造波机,对主动反射吸收造波原理进行推导,提出了适用于规则波和不规则波的摇板式造波机的主动消波方法,并在水槽中设计出一套用于ARC造波的计算机控制单元板造波装置,最后通过试验结果对这种方法进行了主动消波的验证.     

平推式造波板运动的数值模拟

平推式推板造波机是近岸及海洋工程波浪物理模型试验中非常重要的试验设备.文章通过垂向二维数学模型,利用线性造波理论来模拟造波板运动,分析了造波板前后水体动力过程,以及当造波板后不设消波设施时,造波板至后墙距离对水体动力过程的影响.该数学模型以包含水气二相流系统的Navier-Stokes方程为基本控制方程,应用粒子Lev...     

基于CFD的规则波顺浪数值水池模拟

基于CFD(Computational Fluid Dynamics)和粘性数值波浪水池技术,对顺浪航态的规则波波浪环境进行数值模拟,采用边界造波法进行波浪生成,VOF(Volume of Fluid)法模拟自由面。本文改进了传统的基于规则波的顶浪数值模拟方法,在特定波浪、不同航速条件下进行了顺浪航态的数值水池模拟。根据模拟呈现的动态效果,以及与Matlab仿真结果的对比,对试验的准确性进行验证。     

基于CFD的规则波顺浪数值水池模拟

基于CFD（ Computational Fluid Dynamics）和粘性数值波浪水池技术,对顺浪航态的规则波波浪环境进行数值模拟,采用边界造波法进行波浪生成,VOF（Volume of Fluid）法模拟自由面。本文改进了传统的基于规则波的顶浪数值模拟方法,在特定波浪、不同航速条件下进行了顺浪航态的数值水池模拟。根据模拟呈现的动态效果,以及与Matlab仿真结果的对比,对试验的准确性进行验证。     

分段式造波机生成斜向波浪特性的理论研究*

分段式造波机是实验室模拟真实海浪以及研究波浪特性的重要设备。单元造波板的相对宽度和波浪周期是影响分段式造波机生成波质量的重要因素。通过数值模型研究分段式造波机生成斜向波浪的理论特性,分析了波浪周期与相对造波板宽度对波浪传播的影响,总结分段式造波机的有效区域范围的变化规律,可为实际试验提供参考。     

基于网络的大型造波机运动控制系统

波浪是海岸工程、港口工程、船舶和海洋工程中需要考虑的主要荷载因素.目前研究波浪载荷的主要技术手段是在试验水池放置缩小的结构物模型,并模拟现场的波浪环境,从而实现波浪载荷的精确测量,为工程设计提供科学依据.造波机是试验室模拟波浪环境的关键设备,其运动控制系统的性能直接关系到模型试验的精准度.本文介绍一种基于EtherCA...     

基于推板的二阶规则波造波方法与数值计算研究

目前实验室内最常用的造波理论是线性微幅波理论,让造波板围绕中心轴做往复简谐运动(即一阶造波),然而实际的造波板运动幅值是有限度的,简单地采用微幅波理论的一阶造波方法生成的波浪在传输过程中会出现自由伪谐波,影响波浪的稳定,甚至可能会产生次峰。采用二阶造波理论能够抑制自由伪谐波,得到更加稳定的波浪。本文基于波浪理论,采用摄动法推导出推板一阶造波方法产生的一阶波和二阶波,分离出自由伪谐波。然后基于波浪叠加原理得出抑制自由伪谐波的二阶造波理论方法并使用Fluent软件验证了本文二阶造波理论方法的有效性。     

数值波浪水槽中的被动式消波

采用边界元方法,建立一种非线性数值波浪水槽,借助吸收海岸和被动吸收式推板消波的方法,处理波浪模拟中的消波,检验水槽内不同频率的波浪吸收效果,并长时间模拟服从JONSWAP谱的不规则波;结果表明,这种消波方法可以满足长时间计算需要,可为工程研究奠定基础。     

基于Fluent的二维数值平面造波

使用Fluent软件,结合VOF(VolumeofFluid)方法、N-S方程和RNG流模型,通过对C语言的二次开发,进行了二维数值波浪水槽的模拟。通过与理论结果的比对验证,验证了本文对于椭圆余弦波和Stokes波造波的可行性。     

主动吸收式造波技术的发展及应用

在港口工程、水利工程及海洋工程研究领域,常借助水槽或水池等设施进行物理模型实验研究.主动吸收式造波技术可以有效解决实验室造波过程中的二次反射问题,在水池中生成高质量的模拟波浪场,按照比尺充分还原实际海况.文章从反馈信号类型的角度出发,回顾和论述了基于板上波高信号反馈、板前波高信号反馈以及力信号的三种主动吸收式造波技术的...     

基于能量分配的特定畸形波序列的数值模拟

文章对一个理论畸形波序列进行了数值模拟并且将数值结果与理论值做了对比.采用速度入口方法以实现波浪模拟.在造波边界处不考虑高阶波浪成分,只输入线性波浪速度.分别采用三种不同分辨率的网格进行数值模拟,以找到足够有效捕捉自由面的网格模型.考虑到快速傅里叶变换不能反映畸形波的时频特征,因而引入小波变换研究畸形波传播过程中的能量变化.最后比较了北海实测畸形波和文中理论畸形波小波变换的差异.     

基于势流-黏流双向耦合模型的数值造波

采用开源程序OceanWave3D和OpenFOAM提出了一种势流-黏流双向耦合数值造波方法。为提高数值稳定性，在势流域内的重叠区域内建立松弛区域。松弛区域的波高从黏流域直接插值获取，而速度势则根据水面边界条件方程用速度插值间接计算。基于4阶Runge-Kutta算法实现时间推进，并通过线性波、非线性波和不规则波，包括波浪正向、反向传播和二维、三维数值模拟的算例进行验证。计算结果表明，论文的势流-黏流双向耦合模型准确高效，可应用于实际海洋工程波浪的模拟。     

浅水中质量源造波方法

针对质量源造波过程中源区上方水体高度难以确定的问题提出了改进方法,将源区高度值考虑到源强方程中,避免了造波过程中源区上方水体高度值多次试算带来的不便。该方法弥补了质量源造波方法在水深小于1.5 m的浅水中所造波浪与理论波浪之间差距较大的缺陷,尤其是水平网格步长与源区高度值相比小于10的情况,推广了质量源造波方法在浅水中的应用。文中验证了波高对所造波浪的影响以及时间步长对浅水中所造波浪的影响,得出结论:当波高与水深的比值小于0.2时所造波浪波高与理论值的拟合较好;当时间步长小于0.005 s时所造波浪无明显的上下漂浮现象,波形稳定,符合理论波形要求。