[發明專利]基于Fluent UDF的一種數值波浪水槽造波方法

在審

• 申請號: 202010018067.3
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111241756A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 王科;張犀;賀大川;辛穎
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.基于Fluent UDF的一種數值波浪水槽造波方法，其特征在于，步驟如下：

(1)計算模型

數值波浪水槽的計算模型示意圖如圖1所示，水槽長度為L₀，高度為H₀，水深為H＝H₀/2；整個水槽分兩個區域Ω_a和Ω_W，Ω_a為大氣域，Ω_W為所計算的流體域，兩個區域的交界面為自由表面邊界S_F，水槽的底邊界為S_B，二維笛卡爾坐標系oxy固定在左邊界處，x軸在自由表面處，水平向右，y軸沿水槽的高度方向垂直向上；

(2)控制方程

對于不可壓縮的二維數值波浪水槽粘性流，FLUENT應用的基本方程如下所示，即Navier-Stokes方程：

式(1)和(2)分別是流體的連續性方程和動量方程，其中，u,v分別為x,y方向的速度，ρ為液體密度，p為壓力，μ為動力粘性系數，S_x,S_y分別為x,y方向上的附加動量源，默認值為0；

(3)邊界條件

對于非定常運動問題，需要考慮初始條件的設置；初始條件就是t＝t₀時各變量的分布，其表示如下：

其中，u＝u(x，y，t₀)代表速度u函數有x,y,t三個變量，初始條件u是t₀時刻的速度，u₀(x，y)代表初始條件u的具體數值，v和p同理；數值波浪水槽的邊界條件包括兩種類型：流固邊界條件和氣液邊界條件；海底S_B表面的邊界條件為流固邊界條件，采用非滑移邊界條件；自由水面S_F處的邊界條件為氣液邊界條件，采用波面方程推導出的邊界條件；

(4)推板式造波

在圖1所示的波浪數值水槽的垂直邊界S₀處安裝一個活塞式造波機用來產生沿水槽方向的重力波，為簡化問題，取造波板做諧波運動，其位移函數S_p為：

其中：s為造波板振幅，ω為推板圓頻率；

為了避免波浪域受到突然擾動而產生數值不穩定性，在造波板啟動的初始時刻加入一個修正函數使造波板緩慢起動，此時造波板速度用u_m表示，u_m＝f_m(t)u；f_m(t)為修正函數，取為：

式中，T_W為設定的造波修正時間，取為一個波浪周期T；

(5)阻尼層消波

由于水槽的右邊界為固壁邊界，要考慮右端波浪的反射作用；利用FLUENT模擬數值波浪水槽運動，保證模擬的持久性，與勢流邊界元方法中阻尼層消減速度勢和波高不同，在FLUENT的N-S方程中采用消減速度源項的方法建立波浪阻尼層，實現數值消波，阻尼層長度為一倍波長；通過FLUENT UDF實現的，具體速度源方程為：

其中，ρ為液體密度；γ(x_e)為阻尼系數；u_e、υ_e分別為無波浪傳播時水平，垂直速度，此處取值為0。