發(fā)布時(shí)間：2020-07-19 17:15

【摘要】：數(shù)值波浪水槽是研究水波問題的一種重要手段�；贜avier-Stokes方程建立的粘性流數(shù)值波浪水槽能夠捕捉流場(chǎng)中的流動(dòng)細(xì)節(jié),是目前最接近真實(shí)物理水槽的一類數(shù)值工具。但是,為了控制計(jì)算中的數(shù)值耗散,基于傳統(tǒng)一階或二階方法的數(shù)值模型通常對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)與網(wǎng)格大小有著嚴(yán)格的要求。這使得這類數(shù)值波浪水槽在應(yīng)用中的計(jì)算成本十分可觀,其發(fā)展也因此受到了制約。為開發(fā)可靠且更經(jīng)濟(jì)的粘性流數(shù)值波浪水槽,本文將嘗試使用高精度的兩相流模型作為數(shù)值求解器,并系統(tǒng)性地檢驗(yàn)水槽在造波、消波、模擬波浪傳播以及計(jì)算波浪與結(jié)構(gòu)物間相互作用等方面的性能。本文模型使用高階有限體積方法VPM(Volume-average/Point-value Multi-moment)離散動(dòng)量方程,使用 THINC/QQ 方法(THINC method with Quadratic surface representation and Gaussian Quadrature)捕捉自由面。為保證對(duì)流的求解精度,體積分?jǐn)?shù)方程以及動(dòng)量方程中對(duì)流項(xiàng)的時(shí)間更新均采用三階Runge-Kutta格式。在造波方面,本文使用質(zhì)量源函數(shù)法。通過將造波區(qū)置于計(jì)算域內(nèi)部,阻尼消波區(qū)可以直接應(yīng)用于水槽兩側(cè)的邊界,從而在計(jì)算中消除由兩側(cè)直墻以及水槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)物引起的波浪反射。利用以上方法,本文首先模擬中等水深條件下規(guī)則波的傳播,并比較本文模型與in-terFoam(開源代碼OpenFOAM中使用較廣的兩相流求解器)在模擬該問題上的計(jì)算精度與計(jì)算效率。結(jié)果表明,與interFoam相比,使用本文模型可以明顯降低計(jì)算中的數(shù)值耗散;同時(shí),對(duì)于給定的誤差水平,本文模型的計(jì)算效率要遠(yuǎn)高于interFoam求解器。接著,本文測(cè)試孤立波與水下?lián)醢逯g的相互作用,計(jì)算得到與物理實(shí)驗(yàn)相符的水面形態(tài)、速度分布、渦量場(chǎng)以及波浪力過程;另外在波浪破碎位置,本文模型還清楚地捕捉到包括高度扭曲的水面與飛濺的小水滴在內(nèi)的一系列亞網(wǎng)格分辨率的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。文章最后建造一個(gè)長(zhǎng)300m,高5.2m的“超級(jí)數(shù)值波浪水槽”,用于模擬深水中非線性波列的長(zhǎng)時(shí)間演變,模擬準(zhǔn)確地重現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)中包括波前不穩(wěn)定、初始形態(tài)重現(xiàn)以及永久降頻在內(nèi)的幾個(gè)關(guān)鍵現(xiàn)象。本文的數(shù)值波浪水槽依然處于開發(fā)階段,但從這些初步結(jié)果可以見出,該水槽有數(shù)值耗散小以及自由面捕捉精度高的突出優(yōu)勢(shì)。同時(shí)其計(jì)算成本合理,魯棒性良好,有潛力成為研究水波問題的高效數(shù)值工具。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TV139.2
【圖文】：

動(dòng)界面存在復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與尺度分離現(xiàn)象，對(duì)求解精度有著很高的要求。逡逑從上世紀(jì)五、六十年代開始，研究者們提出了許多求解運(yùn)動(dòng)界面的數(shù)值方法。ＭｉｒｊａｌｉＨ逡逑等人１４９１在其綜述文章中對(duì)主流的運(yùn)動(dòng)界面處理方法進(jìn)行了分類（圖１．１）。其中，單流體逡逑５逡逑

（Ｐｏｉｎｔ邋Ｖａｌｕｅ，邋ＰＶ），將ＶＩＡ與ＰＶ都作為計(jì)算變量，ＶＰＭ方法可以在緊致的網(wǎng)格模板上實(shí)逡逑現(xiàn)高階多項(xiàng)式插值。緊致插值的特點(diǎn)使得這種方法能夠很好地適用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。逡逑矩變量在網(wǎng)格單元的定義如圖２．１邋（右）所示，ＶＰＭ方法利用速度場(chǎng)ｕ（ｚ，？／，幻的兩種逡逑矩變量，即定義在網(wǎng)格中心的ＶＩＡ，邋士以及定義在網(wǎng)格格點(diǎn)上的ＰＶ，逡逑ｊｕ辦（２］１）逡逑Ａ：邋＝１，２，３；逡逑式中ＩＡＩ表示網(wǎng)格單元N系奶寤ǘ形婊�。诊勭U思蟣�，除藗R韌獾鈉淥錮礤義狹拷鍪褂茫鄭桑磷魑肷⒈淞�，其中包括压力变量㈤）与体积焚|(zhì)懟ｅ義銜迪指囈字毓�，首先灾I竦ピ遼隙ㄒ逅俁瘸。酰希潁媯┑畝尾逯刀嘞釷劍湓阱義暇植孔晗迪碌謀澩鍤轎哄義希藉澹

本文編號(hào)：2762713