[发明专利]基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法

说明书

本发明属于波浪数值水槽技术领域，提供了一种基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法。本方法采用边界元方法建立的推板式造波机模型的基本思路，建立了一个新的造波函数及波浪消波算法，在基于Navier‑stokes方程的FLUENT软件二次开发中，造波板边界采用FLUENT的动网格技术，只建立速度边界条件，压力和速度项不耦合，这样稳定性更高。同样道理，在造波板和波浪数值水槽远端添加波浪阻尼层，只吸收速度项。研究中应用VOF法来追踪波浪的自由表面运动。应用该波浪数值水槽造波方法可以研究复杂的非线性波浪与结构物相互作用问题。

技术领域

本发明属于波浪数值水槽技术领域，利用Fluent UDF的方法对形成一种波浪数值水槽的造波方法。

背景技术

波浪数值水槽的数值造波技术，是利用计算机技术来模拟物理造波的一种重要手段。通过数值造波技术的研究，人们可以在计算机上模拟重力作用下具有自由表面的波浪运动，使其逼近于物理造波机所形成的波浪。近几十年中，波浪数值水槽研究取得了诸多成果，Ursell et al提出了应用推板式造波机方法进行数值造波，这个理论基于典型流体力学的基本假设，如流体无粘性、均匀密度、从静止开始流动、非线性项忽略等，但是在当时并没有解决消除波浪反射的影响。A.T.CHWANGW.LI提出了在定常深度的半无限长水槽的末端附近，应用线性多孔渗透造波理论，分析活塞式多孔渗透造波产生的小振幅表面波。根据自由表面波形、流体压力分布及波板处净力获得闭型解析解。

PeterJulien应用VOF法追踪数值波浪水槽的自由表面运动，实现了在数值水槽中应用推板式造波技术的同时还通过吸收波浪来消除边界的反射，这种吸收波浪的方法可以有效的缩短数值水槽的尺寸，计算效率也有了明显的提高。王永学利用VOF模型分析孤立波遇到直墙时的建筑物出现波浪破碎的过程，通过数值模拟获得了孤立波在直墙上的冲击力，同时模拟出了在直墙前的波浪变形、破碎的一系列过程。Tanizawa,Wang Ke et al应用边界元方法建立时域数值波浪水槽，通过引入推板式造波机实现波浪造波，通过在造波板和水槽远端施加阻尼层的方法实现波浪消波，自由表面采用混合欧拉-拉格朗日模型，应用龙格库塔方法实现液面更新。董志和詹杰民利用计算流体力学软件FLUENT和它的UDF功能进行数值波浪水槽的造波和消波，详细介绍了基于推板和摇板的动边界造波、动量源造波以及多孔介质结构消波等数值方法来模拟弱非线性波。朱仁传等，李凌等基于N-S方程和有限体积法，人工的将入射波的波场作为源加入动量方程，给出了适合VOF的源造波法及消波技术，该方法对波浪遇结构物产生的反射波有较强的消除作用。

发明内容

由于基于Navier-stokes方程的计算流体力学软件FLUENT，功能强大，计算稳定性高，本研究的基本思路是以FLUENT算法为核心，通过其UDF模块将基于时域边界元理论的数值波浪水槽的推板造波和消波技术引入到FLUENT中来开发出更高效的数值波浪水槽系统，可以考虑粘性和湍流影响，极大地扩大了FLUENT的应用范围。与上述源造波法在造波板边界处同时修改Navier-stokes方程中的速度项和压力项不同。本研究采用边界元方法建立的推板式造波机模型的基本思路，建立了一个新的造波函数及波浪消波算法，在基于Navier-stokes方程的FLUENT软件二次开发中，造波板边界采用FLUENT的动网格技术，只建立速度边界条件，压力和速度项不耦合，这样稳定性更高。同样道理，在造波板和波浪数值水槽远端添加波浪阻尼层，只吸收速度项。研究中应用VOF法来追踪波浪的自由表面运动。

本发明的技术方案：

基于Fluent UDF的一种数值波浪水槽造波方法，步骤如下：

(1)计算模型