[发明专利]基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法

权利要求书

1.基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法，其特征在于，步骤如下：

(1)计算模型

数值波浪水槽的计算模型示意图如图1所示，水槽长度为L₀，高度为H₀，水深为H＝H₀/2；整个水槽分两个区域Ω_a和Ω_W，Ω_a为大气域，Ω_W为所计算的流体域，两个区域的交界面为自由表面边界S_F，水槽的底边界为S_B，二维笛卡尔坐标系oxy固定在左边界处，x轴在自由表面处，水平向右，y轴沿水槽的高度方向垂直向上；

(2)控制方程

对于不可压缩的二维数值波浪水槽粘性流，FLUENT应用的基本方程如下所示，即Navier-Stokes方程：

式(1)和(2)分别是流体的连续性方程和动量方程，其中，u,v分别为x,y方向的速度，ρ为液体密度，p为压力，μ为动力粘性系数，S_x,S_y分别为x,y方向上的附加动量源，默认值为0；

(3)边界条件

对于非定常运动问题，需要考虑初始条件的设置；初始条件就是t＝t₀时各变量的分布，其表示如下：

其中，u＝u(x，y，t₀)代表速度u函数有x,y,t三个变量，初始条件u是t₀时刻的速度，u₀(x，y)代表初始条件u的具体数值，v和p同理；数值波浪水槽的边界条件包括两种类型：流固边界条件和气液边界条件；海底S_B表面的边界条件为流固边界条件，采用非滑移边界条件；自由水面S_F处的边界条件为气液边界条件，采用波面方程推导出的边界条件；

(4)推板式造波

在图1所示的波浪数值水槽的垂直边界S₀处安装一个活塞式造波机用来产生沿水槽方向的重力波，为简化问题，取造波板做谐波运动，其位移函数S_p为：

其中：s为造波板振幅，ω为推板圆频率；

为了避免波浪域受到突然扰动而产生数值不稳定性，在造波板启动的初始时刻加入一个修正函数使造波板缓慢起动，此时造波板速度用u_m表示，u_m＝f_m(t)u；f_m(t)为修正函数，取为：

式中，T_W为设定的造波修正时间，取为一个波浪周期T；

(5)阻尼层消波

由于水槽的右边界为固壁边界，要考虑右端波浪的反射作用；利用FLUENT模拟数值波浪水槽运动，保证模拟的持久性，与势流边界元方法中阻尼层消减速度势和波高不同，在FLUENT的N-S方程中采用消减速度源项的方法建立波浪阻尼层，实现数值消波，阻尼层长度为一倍波长；通过FLUENT UDF实现的，具体速度源方程为：

其中，ρ为液体密度；γ(x_e)为阻尼系数；u_e、υ_e分别为无波浪传播时水平，垂直速度，此处取值为0。